控制棒定位隔板局部水力損失系數(shù)的數(shù)值計(jì)算

丁紹軍，王 琳，楊翊仁

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610031)

控制棒定位隔板局部水力損失系數(shù)的數(shù)值計(jì)算

丁紹軍，王 琳，楊翊仁

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610031)

在反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)線落棒的分析計(jì)算中，導(dǎo)向筒隔板處的局部水力損失系數(shù)對流體力來說至關(guān)重要。采用CFX軟件對一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的導(dǎo)向筒隔板模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可得到流體通過隔板時(shí)的局部水力損失系數(shù)。同時(shí)考慮控制棒的影響，運(yùn)用修正系數(shù)對局部水力損失系數(shù)進(jìn)行修正，從而建立了一套適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)局部水力損失系數(shù)計(jì)算的方法，可用于反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)線落棒過程中流體局部水力損失的計(jì)算。

反應(yīng)堆；驅(qū)動(dòng)線；局部水力損失系數(shù)；數(shù)值模擬；修正系數(shù)

在反應(yīng)堆落棒過程的分析計(jì)算中，導(dǎo)向筒隔板處的局部水力損失系數(shù)至關(guān)重要。導(dǎo)向筒隔板模型具有截面復(fù)雜、工況眾多的特點(diǎn)，現(xiàn)有的理論計(jì)算公式無法適用，模型試驗(yàn)代價(jià)比較大，相比之下，數(shù)值模擬方法則更具優(yōu)勢[1-7]。本文使用CFX軟件，運(yùn)用三維k紊流模型對一種復(fù)雜隔板進(jìn)行數(shù)值模擬，監(jiān)測不同速度下的進(jìn)出口壓強(qiáng)與速度，求得相應(yīng)的局部水力損失系數(shù)。此外，控制棒進(jìn)入導(dǎo)向筒后，會(huì)給截面均值計(jì)算帶來較大的誤差，為此本文設(shè)置了修正系數(shù)對其進(jìn)行修正。由于現(xiàn)階段無法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，故本文特選取一種與隔板模型結(jié)構(gòu)相似的工程構(gòu)件，并將隔板模型修正之后的局部水力損失系數(shù)與構(gòu)件的局部水力損失系數(shù)進(jìn)行對比，從而對隔板的局部水力損失系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證[8-9]。

本文采用CFX進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的模型均為流體模型，可隨實(shí)際需要進(jìn)行更換或改進(jìn)，進(jìn)而得到相應(yīng)的局部水力損失系數(shù)。因此，本文的計(jì)算方法不僅適用于隔板結(jié)構(gòu)，也適用于其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可操作性較強(qiáng)，尤其是在工況繁多的反應(yīng)堆落棒試驗(yàn)中，此法可以為理論分析提供一定的參考與幫助。

1 模型選取

控制棒驅(qū)動(dòng)線落棒過程涉及流體通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能量損失計(jì)算，且結(jié)構(gòu)種類繁多，本文擬通過對導(dǎo)向筒隔板處的水力損失系數(shù)的計(jì)算建立一整套適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)水力損失系數(shù)的計(jì)算方法。當(dāng)控制棒通過隔板時(shí)，隔板處的流體截面會(huì)發(fā)生改變，如圖1所示。

圖1 隔板的流體幾何模型

隔板兩側(cè)連接導(dǎo)向筒，導(dǎo)向筒的截面為圓形。本研究取出口部分長度為280 mm，入口部分長度為200 mm，隔板厚度為23 mm。插入控制棒后，導(dǎo)向筒圓截面的面積為29 917 mm2，隔板截面的面積為8 253 mm2，截面的面積比為27.6%。流體整體幾何模型如圖2所示。

圖2 流體整體幾何模型

2 數(shù)值模擬

本文采用CFX軟件的Transient法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，紊流模型為k模型。本研究出口壓強(qiáng)設(shè)為0 Pa，入口速度可變，其余部分默認(rèn)為壁面，并設(shè)置為光滑[10]。當(dāng)進(jìn)口速度為1 m/s時(shí)，進(jìn)口壓強(qiáng)分布如圖3所示，出口速度分布如圖4所示。

圖3 進(jìn)口壓強(qiáng)分布

圖4 出口速度分布

出口速度分布與圓管內(nèi)的流速分布非常相似，說明控制棒對整個(gè)導(dǎo)向筒內(nèi)流速分析影響較小。但是控制棒的存在使得截面變得不規(guī)則，會(huì)給后續(xù)的結(jié)果處理帶來困難。

3 局部水力損失系數(shù)計(jì)算方法

黏性流體在經(jīng)過各種局部構(gòu)件或連接件時(shí)產(chǎn)生的這種額外的水力損失稱為局部損失。試驗(yàn)中測得流體流過局部構(gòu)件的壓降或水頭損失基本上與流體動(dòng)能頭成正比[11]。因?yàn)橐陨蠅航?、水頭損失均為截面均值，所以本文可通過截面的速度、壓強(qiáng)分布求得各截面的速度平方和壓強(qiáng)的截面均值。求解各截面均值之后，根據(jù)伯努利方程計(jì)算進(jìn)出口斷面的局部水頭損失，進(jìn)而確定局部水力損失系數(shù)。

3.1 速度與壓強(qiáng)的均值處理

根據(jù)截面特點(diǎn)，沿x軸正方向選取n個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別記錄進(jìn)口截面的壓強(qiáng)以及出口截面的速度，采取數(shù)值積分的方法進(jìn)行均值求解。n個(gè)監(jiān)測點(diǎn)將截面分為n-1個(gè)圓環(huán)，對此進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算。

速度、壓強(qiáng)的數(shù)值積分為

(1)

速度平方的數(shù)值積分為

(2)

截面均值為

(3)

其中r為圓截面半徑。由于本文的模型進(jìn)出口截面面積相同，所以進(jìn)口的速度應(yīng)當(dāng)與出口截面平均速度相等，據(jù)此可判斷所取n值是否合理。速度平方均值可用以確定截面的平均動(dòng)能，壓強(qiáng)均值可用于確定截面的平均壓能。

3.2 局部水力損失系數(shù)的計(jì)算

簡化模型如圖5所示，左端為進(jìn)口，右端為出口，中部為隔板，流體為緩變流，忽略沿程損失[7]。

圖5 模型簡化示意圖

局部能量損失為

(4)

在分析過程中，設(shè)置出口壓強(qiáng)為0 Pa。此時(shí)局部水力損失系數(shù)為

(5)

3.3 局部水力損失系數(shù)的修正

以上計(jì)算中，計(jì)算截面時(shí)并未考慮控制棒，因此計(jì)算面積比實(shí)際值略大，會(huì)影響局部水力損失系數(shù)的最終結(jié)果。為了消除此影響，可添加修正系數(shù)。實(shí)際截面面積為s1，計(jì)算截面面積為s2，取兩者的比值為修正系數(shù)α=s1/s2，用以降低控制棒缺口對結(jié)果的影響。 添加修正系數(shù)之后的局部水力損失系數(shù)為

(6)

由于主要損失能量來自于壓差，若不考慮進(jìn)出口動(dòng)能改變，整個(gè)過程只考慮壓強(qiáng)的改變，則式(6)可表示為

(7)

其中：ξ1為總能局部水力損失系數(shù)，可用于計(jì)算流體通過隔板時(shí)損失的總能量；ξ2為靜壓局部水力損失系數(shù)，可用于計(jì)算流體通過隔板時(shí)損失的壓能。

4 計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證

4.1 計(jì)算結(jié)果

通過以上計(jì)算方法，得出不同速度下的局部水力損失系數(shù)，如表1所示。

由表1可知，此模型總能局部水力損失系數(shù)大致為13.3。進(jìn)口速度的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果略有差異，可以通過實(shí)際工況來最終確定隔板處的局部水力損失系數(shù)。

表1 模型局部水力損失系數(shù)

4.2 結(jié)果驗(yàn)證

由于沒有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，因此選取近似模型進(jìn)行對比。本文模型流體截面突變2次，且進(jìn)出口截面相同。在已有的工程模型中，閘閥模型與本模型相似，且其局部水力損失系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測得，可信度較高，因此取閘閥模型與本模型進(jìn)行對比驗(yàn)證。圖6為閘閥模型[4]。

圖6 閘閥模型

表2為閘閥在不同開度下的局部水力損失系數(shù)[11]，根據(jù)此表即可大致推測相同開度下導(dǎo)向筒模型。

表2 閘閥不同開度下局部水力損失系數(shù)

導(dǎo)向筒模型開度為27.6%，局部水力損失系數(shù)為13.3，而相應(yīng)閘閥實(shí)驗(yàn)結(jié)果則在6.5與16之間?？紤]到本模型的隔板截面遠(yuǎn)比閘閥截面復(fù)雜，因此模擬所得結(jié)果比較合理，可為落棒的理論計(jì)算提供一定參考與幫助。

5 結(jié)束語

本文以反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)線落棒分析為背景，對導(dǎo)向筒隔板局部水力損失系數(shù)進(jìn)行了討論分析與修正，建立了一整套適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)局部水力損失計(jì)算的分析方法。另外，根據(jù)已有的工程模型及相應(yīng)的局部水力損失系數(shù)，對本文的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯劉 舸)

NumericalCalculationofLocalHydraulicLossCoefficientofControlRod

DING Shaojun， WANG Lin， YANG Yiren

(School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In the analysis and calculation of the reactor drive line, the local hydraulic loss coefficient at the guide baffle is critical to the fluid force. The CFX software can be used to simulate a complex guide baffle model, so as to obtain the local hydraulic loss coefficient when the fluid passes through the partition. At the same time, considering the influence of the control rods and using correction coefficient to modify the local hydraulic loss coefficient, a method for calculating the local hydraulic loss coefficient for complex structures is established, which can be used to calculate the local hydraulic loss of the fluid during the process of falling off the reactor.

reactor; driving line; local loss factor; numerical simulation; correction coefficient

2017-06-28

丁紹軍(1994—)，男，安徽人，碩士，主要從事流固耦合動(dòng)力學(xué)研究，E-mail:kikoyang@live.cn。

丁紹軍,王琳，楊翊仁.控制棒定位隔板局部水力損失系數(shù)的數(shù)值計(jì)算[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):96-99.

formatDING Shaojun，WANG Lin，YANG Yiren.Numerical Calculation of Local Hydraulic Loss Coefficient of Control Rod[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):96-99.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.016

TL351

A

1674-8425(2017)10-0096-04