抗流致振動(dòng)的壓水堆控制棒導(dǎo)向筒阻流板設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

張惠民，陸道綱，張鈺浩

(1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

控制棒組件是核電廠的核心設(shè)備，其完整性和其及時(shí)下落功能對(duì)核電廠安全至關(guān)重要。壓水堆(PWR)堆芯上腔室中設(shè)置了控制棒導(dǎo)向筒，控制棒在導(dǎo)向筒內(nèi)能夠平滑地被提出或插入堆芯。控制棒導(dǎo)向筒下部開(kāi)有流水孔，流水孔在控制棒下落時(shí)排出導(dǎo)向筒內(nèi)的水以減少控制棒下落阻力，使控制棒能夠不受延遲地落在特定位置從而保證反應(yīng)堆的安全。同時(shí)，從堆芯流出的流體在外部掠過(guò)導(dǎo)向筒的流水孔時(shí)，可能有一部分冷卻劑會(huì)通過(guò)流水孔進(jìn)入導(dǎo)向筒內(nèi)部，從而對(duì)控制棒產(chǎn)生橫向沖刷，進(jìn)而引起控制棒組件的振動(dòng)、疲勞甚至磨損變形，直接影響核電廠的安全運(yùn)行。如果流水孔的尺寸過(guò)大，落棒阻力會(huì)較小，但進(jìn)入導(dǎo)向筒的流量會(huì)增加而導(dǎo)致控制棒的流致振動(dòng)增強(qiáng)；反之亦然。雖然在常規(guī)設(shè)計(jì)中核算了流水孔的臨界尺寸以平衡落棒阻力和流致振動(dòng)，但是壓水堆核電廠還是會(huì)出現(xiàn)由上述問(wèn)題引發(fā)的落棒延遲或控制棒流致振動(dòng)過(guò)大事件。例如大亞灣核電廠就發(fā)生過(guò)由于法馬通的導(dǎo)向筒流水孔設(shè)計(jì)修改導(dǎo)致1號(hào)機(jī)組7組控制棒落棒時(shí)間超出驗(yàn)收準(zhǔn)則的問(wèn)題[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了很多流致振動(dòng)研究[2-11]，對(duì)核電廠設(shè)備的流致振動(dòng)研究大多側(cè)重于吊籃、蒸汽發(fā)生器換熱管和燃料組件等設(shè)備，而針對(duì)核電廠控制棒的流致振動(dòng)研究在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展較少，尤其針對(duì)控制棒導(dǎo)向筒下部流水孔尺寸如何影響控制棒橫向流及其導(dǎo)致的流致振動(dòng)研究國(guó)內(nèi)外幾乎沒(méi)有涉及。導(dǎo)向筒下部流水孔的尺寸過(guò)大或過(guò)小都會(huì)直接影響控制棒的流致振動(dòng)行為和落棒時(shí)間，對(duì)核電廠的安全運(yùn)行造成不利影響。

針對(duì)上述問(wèn)題及研究現(xiàn)狀，本研究提出了新型設(shè)計(jì)方案，即在導(dǎo)向筒流水孔的前部設(shè)置阻流板，使堆芯上腔室的冷卻劑通過(guò)流水孔進(jìn)入控制棒導(dǎo)向筒的流體受阻，流量減小，同時(shí)保證控制棒下落過(guò)程中排水順暢。本研究的前期工作[12]，已經(jīng)針對(duì)控制棒導(dǎo)向筒周邊的流動(dòng)行為開(kāi)展了基于簡(jiǎn)化模型的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)可視化技術(shù)，測(cè)得了控制棒導(dǎo)向筒附近的流場(chǎng)分布，同時(shí)針對(duì)這一實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，初步驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型及方法對(duì)于求解該問(wèn)題的適用性。

為了驗(yàn)證本改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，本文運(yùn)用上述經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的計(jì)算方法和模型，對(duì)控制棒導(dǎo)向筒及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為精確的建模，并對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行了基于CFD的數(shù)值模擬與分析，獲得了改進(jìn)前與后設(shè)計(jì)方案下的流場(chǎng)分布特性，通過(guò)改進(jìn)前與后的流場(chǎng)對(duì)比分析，判斷阻流板的阻流效果，評(píng)價(jià)該橫向流動(dòng)流速對(duì)控制棒流致振動(dòng)效果的影響。

1 控制棒導(dǎo)向筒結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

1.1 控制棒導(dǎo)向筒實(shí)驗(yàn)及計(jì)算模型結(jié)構(gòu)

本研究前期工作中，已經(jīng)針對(duì)控制棒導(dǎo)向筒周邊的流動(dòng)行為開(kāi)展了基于簡(jiǎn)化模型的實(shí)驗(yàn)研究[12]。本文在控制棒流致振動(dòng)等比例實(shí)驗(yàn)臺(tái)架原型的基礎(chǔ)上增加控制棒根數(shù)及控制棒導(dǎo)向板數(shù)量，更真實(shí)地模擬實(shí)際反應(yīng)堆控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選取實(shí)驗(yàn)段下部為研究對(duì)象，采用三維CFD軟件FLUENT進(jìn)行改進(jìn)前及改進(jìn)后不同設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬與分析?？刂瓢袅髦抡駝?dòng)實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)圖及數(shù)值模擬模型如圖1所示。

圖1 控制棒流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及數(shù)值模擬模型

計(jì)算模型主要包括三部分主要結(jié)構(gòu)：

(1)外部筒體形成實(shí)驗(yàn)段冷卻劑流動(dòng)邊界，內(nèi)部流體模擬堆芯上腔室內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)狀態(tài)，下部外筒體的尺寸為400 mm×400 mm×2400 mm；

(2)內(nèi)部導(dǎo)向筒模擬件采用與實(shí)堆導(dǎo)向筒相同尺寸設(shè)計(jì)，上下部導(dǎo)向筒內(nèi)設(shè)置與實(shí)堆相同數(shù)量的控制棒導(dǎo)向板，下部導(dǎo)向筒的下部設(shè)置與原型一致的8個(gè)方形流水孔，流水孔尺寸為130 mm×150 mm；

(3)采用8根直徑9.5 mm的控制棒模擬件，控制棒數(shù)量相比原型減小，但對(duì)控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)整體流動(dòng)特性影響不大。外部筒體側(cè)面及控制棒導(dǎo)向筒下部各設(shè)置一個(gè)進(jìn)水口，分別模擬實(shí)堆中通過(guò)控制棒導(dǎo)向筒流水孔的側(cè)方來(lái)流，以及由導(dǎo)向筒底部進(jìn)入的自下而上流動(dòng)的冷卻劑，外部筒體側(cè)面高位處設(shè)置出水口。

1.2 控制棒導(dǎo)向筒及不同設(shè)計(jì)方案網(wǎng)格劃分

控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部筒體流體域網(wǎng)格劃分示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)及新型阻流板方案網(wǎng)格

控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，控制棒連續(xù)導(dǎo)向段及控制棒直徑尺寸較小，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分；控制棒導(dǎo)向筒周?chē)鲌?chǎng)及阻流板區(qū)域結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將兩組區(qū)域的網(wǎng)格在FLUENT中采用Interface進(jìn)行連接后實(shí)現(xiàn)整體耦合計(jì)算，連接方式如圖3(d)所示?；谝陨暇W(wǎng)格劃分方法，選取不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行了敏感性分析，考慮到計(jì)算的精確性與經(jīng)濟(jì)性，最終采用1 081萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究。本文對(duì)三種設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分及計(jì)算：

(1)原型(改進(jìn)前)設(shè)計(jì)方案：控制棒導(dǎo)向筒下部四周8組流水孔外側(cè)均不設(shè)阻流板。需要說(shuō)明的是，由于導(dǎo)向筒內(nèi)部控制棒連續(xù)導(dǎo)向段模擬件厚度較厚(17 mm)且位于每組流水孔中間，將每組流水孔從中心處再次分隔成左右兩部分，起到阻礙流體進(jìn)入流水孔的效果。針對(duì)這一結(jié)構(gòu)，在模型建立及網(wǎng)格劃分中，將該處每組入口窗分隔為左右兩組，以模擬實(shí)際冷卻劑流動(dòng)情況，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3(a)所示，其他設(shè)計(jì)方案處理方法相同。

(2)兩組阻流板設(shè)計(jì)方案：在控制棒導(dǎo)向筒側(cè)面正對(duì)入口處的兩個(gè)流水孔外側(cè)10 mm處各設(shè)置一組阻流板，共設(shè)置2組阻流板，網(wǎng)格劃分方式與原型方案相同。

(3)八組阻流板設(shè)計(jì)方案：在控制棒導(dǎo)向筒四周共八個(gè)流水孔外側(cè)10 mm處均設(shè)置一組阻流板，共設(shè)置8組導(dǎo)流板，網(wǎng)格劃分方式與原型方案相同。

圖3 不同阻流板設(shè)計(jì)方案及網(wǎng)格劃分方式

1.3 主要邊界條件及計(jì)算方法

(1)不同設(shè)計(jì)方案中，保證控制棒導(dǎo)向筒兩個(gè)入口邊界流量與實(shí)堆流量一致，出口邊界采用壓力出口；同時(shí)考慮到入口、出口處的流動(dòng)穩(wěn)定性，分別設(shè)置一段入口、出口管道，長(zhǎng)度均為400 mm；

(2)湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，配合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；

(3)計(jì)算方法采用SIMPLE算法，動(dòng)量項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式，其他項(xiàng)均采用二階格式；

(4)對(duì)計(jì)算域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，收斂精度達(dá)到1×10 s-5以下。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 控制棒導(dǎo)向筒原型(改進(jìn)前)方案計(jì)算結(jié)果分析

原型工況下，模擬堆芯上腔室的側(cè)方流量通過(guò)控制棒導(dǎo)向筒下部側(cè)面的流水孔流入，同時(shí)，來(lái)自堆芯上腔室的一部分流量通過(guò)控制棒導(dǎo)向筒底部自下而上流入導(dǎo)向筒內(nèi)部，在二者流量共同影響之下，原型整體流場(chǎng)及速度場(chǎng)如圖4所示。

圖4 控制棒導(dǎo)向筒不同位置速度分布圖

由圖4速度分布及流線分布可知，側(cè)方來(lái)流由于受到控制棒導(dǎo)向筒的阻擋發(fā)生轉(zhuǎn)向，一部分流體沿控制棒導(dǎo)向筒周向發(fā)生繞流，然后轉(zhuǎn)向出口方向流動(dòng)，一部分流體通過(guò)控制棒導(dǎo)向筒下部正對(duì)來(lái)流方向的流水孔直接流入導(dǎo)向筒內(nèi)部，對(duì)控制棒連續(xù)導(dǎo)向段及控制棒造成直接影響，局部橫向流速較大。

此外，少量流體在繞流的過(guò)程中，通過(guò)導(dǎo)向筒四周的流水孔進(jìn)入導(dǎo)向筒內(nèi)，但該部分流體橫向流速較小，且在導(dǎo)向筒自下而上流體的帶動(dòng)作用下，向上流動(dòng)，對(duì)控制棒的直接擾動(dòng)影響較小。

圖5 豎直方向監(jiān)測(cè)線Line 1～Line 8位置示意圖

由定量速度分布圖6(a)可知，水平方向，控制棒導(dǎo)向筒上部流水孔入口范圍內(nèi)(-40°～40°)水平合速度較大，最大可達(dá)1.53 m/s。進(jìn)入控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部的流體在控制棒導(dǎo)向板的作用下改變方向，并從導(dǎo)向筒其他流水孔流出，其中在流動(dòng)側(cè)后方(約±110°)附近，流出控制棒導(dǎo)向筒的速度也較大，出現(xiàn)第二個(gè)速度峰值約1.48 m/s，其水平方向合速度矢量分布見(jiàn)圖4(d)。另外，控制棒導(dǎo)向筒下部流水孔處受到水平側(cè)方來(lái)流影響較小，原因是該區(qū)域受到來(lái)自控制棒導(dǎo)向筒下部入口冷卻劑影響較大，主流速度沿豎直方向自下而上流動(dòng)，帶動(dòng)側(cè)方來(lái)流向上流動(dòng)，減弱了其水平方向的擾動(dòng)。圖6(b)進(jìn)一步對(duì)比了豎直方向的不同監(jiān)測(cè)線水平合速度分布規(guī)律，可見(jiàn)，在上部流水孔區(qū)域約z=0.9～1.05 m處，控制棒受到的側(cè)方來(lái)流擾動(dòng)最為明顯，在z=1.4～1.6 m處，流體恰好流出控制棒導(dǎo)向板區(qū)域，由不同導(dǎo)向板分隔區(qū)域流出的流體在該區(qū)域發(fā)生一定程度的攪混，使得該區(qū)域水平合速度略有增加。

圖6 控制棒導(dǎo)向筒不同位置速度分布圖

因此，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，原型設(shè)計(jì)中，通過(guò)側(cè)方流水孔進(jìn)入控制棒導(dǎo)向筒的流體對(duì)控制棒產(chǎn)生明顯的橫向擾動(dòng)，其中上部流水孔附近流體水平合流速最大，對(duì)該區(qū)域控制棒的沖刷擾動(dòng)作用較為明顯。

2.2 控制棒導(dǎo)向筒阻流板改進(jìn)方案計(jì)算結(jié)果分析

本研究所設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案包括：(1)兩組阻流板設(shè)計(jì)方案：在控制棒導(dǎo)向筒側(cè)面正對(duì)入口處的兩個(gè)流水孔外側(cè)10 mm處各設(shè)置一組阻流板，共設(shè)置2組導(dǎo)流板；(2)八組阻流板設(shè)計(jì)方案：在控制棒導(dǎo)向筒四周共八個(gè)流水孔外側(cè)10 mm處均設(shè)置一組阻流板，共設(shè)置8組導(dǎo)流板?；谂c原型一致的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，兩種設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵區(qū)域流場(chǎng)分布結(jié)果分別如圖7、圖8所示，圖中數(shù)據(jù)提取位置與圖4(b)相同。

圖7 2組阻流板方案流動(dòng)速度分析

由圖7分析可知，在靠近入口側(cè)流水孔前設(shè)置兩組阻流板后，水平流過(guò)該流水孔的流體水平合速度明顯減小至0.1～0.3 m/s，但是該側(cè)設(shè)置阻流板對(duì)控制棒導(dǎo)向筒其余三側(cè)流水孔附近的流體水平流速的減弱效果不明顯，最大速度峰值約1.1 m/s，相比原型工況變化不大。因此，為了減少橫向流體的沖刷擾動(dòng)只在入口側(cè)流水孔前設(shè)置兩組擋板，雖然能降低單側(cè)控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)橫向擾流的沖刷強(qiáng)度，但無(wú)法有效減弱其余三側(cè)流水孔附近控制棒的流體水平流速，因此，該兩組阻流板方案無(wú)法有效改善控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)流體流動(dòng)特性。

由圖8分析可知，在控制棒導(dǎo)向筒四周設(shè)置8組擋板后，控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)流水孔附近的流體橫向流速均明顯減小，在上、下流水孔區(qū)域C1、C2監(jiān)測(cè)線最大水平合速度僅0.4～0.5 m/s，沿高度方向Line 1～Line 8速度監(jiān)測(cè)顯示，水平和速度在控制棒導(dǎo)向筒流水孔高度區(qū)域(z=0.6～1.05 m)處達(dá)到最大值，約0.3 m/s。因此，計(jì)算結(jié)果表明，增加周向8組阻流板后，側(cè)方來(lái)流對(duì)控制棒的擾動(dòng)明顯減弱。

圖8 8組阻流板方案流動(dòng)速度分析

2.3 不同方案下計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

選取原型方案、兩組阻流板方案、8組阻流板方案中，豎直監(jiān)測(cè)線Line 1、Line 3及水平監(jiān)測(cè)線C2計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

由圖9不同設(shè)計(jì)方案對(duì)比結(jié)果可以看出，原型工況和兩組阻流擋板工況下，最大總流速均大于1.4 m/s，原型工況下最大流速出現(xiàn)在側(cè)方入口流水孔附近；兩組阻流擋板設(shè)計(jì)中，導(dǎo)向筒靠近側(cè)方入口流水孔處流體水平合速度明顯降低，但是其他三個(gè)側(cè)面橫向入水口處橫向流速與原型設(shè)計(jì)相比相差不大；增加周向八組阻流板后，導(dǎo)向筒所有流水孔附近最大水平合速度均明顯降低至原型設(shè)計(jì)的20%～30%左右。

圖9 不同設(shè)計(jì)方案水平合速度對(duì)比

因此，相比于原型設(shè)計(jì)，增加兩組擋板能夠有效降低阻流板側(cè)流水孔附近的流速，但是其他未設(shè)置阻流板區(qū)域的橫向流動(dòng)仍較為明顯；在控制棒導(dǎo)向筒周向8個(gè)流水孔附近增設(shè)八組擋板后，導(dǎo)向筒內(nèi)部擾流水平合速度明顯降低。因此八組阻流板設(shè)計(jì)能夠有效降低控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)水平方向合速度，有利于減小控制棒的流致振動(dòng)振幅，保證事故工況下控制棒安全、及時(shí)落棒。

3 結(jié)論

本文基于控制棒流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)[12]，對(duì)控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為精細(xì)的建模，提出了新型阻流板設(shè)計(jì)方案，并對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行了三維CFD數(shù)值模擬研究及對(duì)比分析，評(píng)價(jià)阻流板的阻流效果，主要結(jié)論如下：

(1)控制棒導(dǎo)向筒原型設(shè)計(jì)中，側(cè)方來(lái)流對(duì)控制棒的橫向沖刷較為強(qiáng)烈，側(cè)面進(jìn)水口處的流體水平合速度最大，對(duì)該區(qū)域控制棒的流致振動(dòng)影響較為明顯。

(2)相比于原型設(shè)計(jì)，兩組阻流板設(shè)計(jì)方案能夠有效降低設(shè)置了阻流板區(qū)域的導(dǎo)向筒內(nèi)橫向流速，但是并未降低其他未設(shè)置阻流板的區(qū)域的橫向流速，總體上無(wú)法有效減小控制棒流致振動(dòng)振幅。

(3)八組阻流板設(shè)計(jì)方案能夠有效降低控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)整體橫向流動(dòng)速度，橫向流速僅為原型設(shè)計(jì)方案水平合速度的20%～30%，有利于減小控制棒流致振動(dòng)振幅。

因此，在控制棒導(dǎo)向筒流水孔附近增加阻流板可能是解決壓水堆控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)控制棒所受阻力與流致振動(dòng)之間不平衡問(wèn)題的一種有效方法。

致謝

本工作由國(guó)家重大科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(2012ZX06004-012)。