于明銳，韓偉實(shí)，王 戈

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京控制工程研究所，北京 100080)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是反應(yīng)堆的重要?jiǎng)幼鞑考?，也是直接影響反?yīng)堆正常運(yùn)行和安全可靠的關(guān)鍵部件之一，按驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力形式分類主要有電力、水力和氣動(dòng)3種。目前壓水堆核電站的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用外置式磁力提升式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)最大的缺點(diǎn)是傳動(dòng)線長，增加反應(yīng)堆總體高度和存在彈棒隱患[1]。

伺服活塞式控制棒水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(SHCM)是一種利用液力作為動(dòng)力的新型內(nèi)置式控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它利用節(jié)流管牽引器纏繞傳送帶帶動(dòng)節(jié)流管運(yùn)動(dòng)，由此改變驅(qū)動(dòng)活塞兩側(cè)壓差進(jìn)而帶動(dòng)控制棒運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且傳動(dòng)線短，可降低反應(yīng)堆高度；當(dāng)循環(huán)泵斷電或失壓時(shí)，節(jié)流管牽引器還可保持控制棒位置不變。為預(yù)測(cè)和驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作特性，采用計(jì)算流體力學(xué)程序?qū)︱?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)力和流量變化規(guī)律，得出節(jié)流管有效工作區(qū)間，為進(jìn)一步深入研究該機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 水力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

SHCM是利用伺服調(diào)控原理設(shè)計(jì)的一種可精確定位連續(xù)移動(dòng)的流體動(dòng)壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以反應(yīng)堆冷卻劑為工質(zhì)，工質(zhì)流經(jīng)驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)環(huán)形流道，可變節(jié)流口和活塞頂部導(dǎo)流孔后產(chǎn)生壓降，當(dāng)活塞兩側(cè)壓差力等于控制棒組件重力時(shí)，控制棒保持在一個(gè)確定位置；向上移動(dòng)節(jié)流管，活塞兩側(cè)壓差力變大，控制棒向上移動(dòng)，反之，控制棒向下移動(dòng)。通過對(duì)節(jié)流管的升、降、停來控制活塞的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使控制棒在各工作狀態(tài)之間切換，其工作原理詳見文獻(xiàn)[2-3]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水箱、循環(huán)泵、調(diào)節(jié)閥、實(shí)驗(yàn)段、電磁流量計(jì)、壓力表以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成(圖2)。儲(chǔ)水箱中的水經(jīng)循環(huán)泵抽出后，一部分由旁路流回，另一部分經(jīng)過電磁流量計(jì)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)后再次流回儲(chǔ)水箱，完成循環(huán)。實(shí)驗(yàn)中固定活塞不動(dòng)，取零點(diǎn)位置為可變節(jié)流口間隙δ=0，改變?chǔ)拇笮?，記錄不同時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化情況。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，由大到小改變工作壓力，記錄相應(yīng)流量變化數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中壓力最大測(cè)量相對(duì)誤差為0.4%，流量測(cè)量相對(duì)誤差為0.3%。

a——整體圖；b——局部圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

設(shè)計(jì)參數(shù)：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載50 kg，缸體內(nèi)徑100 mm，活塞頭直徑99 mm，活塞桿直徑30 mm，導(dǎo)流孔直徑12 mm，介質(zhì)溫度25 ℃。

2 數(shù)值計(jì)算前處理

2.1 湍流模型選擇

目前FLUENT提供了多種湍流模型，為選擇合適的模型，本文針對(duì)3種模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出，k-ε模型和RSM模型的精確度相對(duì)較高，但RSM模型計(jì)算時(shí)間更長，對(duì)計(jì)算機(jī)資源要求更高；本文針對(duì)驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)流體流速、溫度以及模型復(fù)雜程度，選取湍流模型為k-ε模型。

圖3 不同湍流模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.2 網(wǎng)格方案選擇

針對(duì)3種網(wǎng)格方案進(jìn)行同一假設(shè)工況下的穩(wěn)態(tài)計(jì)算并比較其結(jié)果，結(jié)果列于表1。

從表1可知，隨著網(wǎng)格密度增大，計(jì)算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定，且方案2和方案3之間的變化已很小，流量變化僅有0.6%，但方案3的網(wǎng)格數(shù)量大幅增加，計(jì)算物理時(shí)間較長，占用計(jì)算機(jī)資源很大，所以選擇網(wǎng)格方案2進(jìn)行模擬計(jì)算已可滿足計(jì)算精度的要求，圖4為網(wǎng)格模型示意圖。

定義操作壓力為0.1 MPa，選擇流體為水，流場(chǎng)溫度為20 ℃，壓力入口邊界總壓分別為0.1 MPa和0.3 MPa，壓力出口邊界靜壓為0 MPa，收斂精度為1×10-5。

a——原始3D模型；b——簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型

控制方程的離散采用有限體積法的全隱格式，對(duì)流項(xiàng)的差分采用迎風(fēng)格式，進(jìn)出口均是壓力邊界條件，給定進(jìn)出口的總壓差，壁面采用無滑移邊界條件，采用壁面函數(shù)來處理壁面邊界。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 節(jié)流管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

驅(qū)動(dòng)活塞的阻力系數(shù)ξ對(duì)活塞的動(dòng)作性能有重要影響，而節(jié)流管處阻力系數(shù)起決定作用，其他部位影響較小。為合理選擇節(jié)流管結(jié)構(gòu)參數(shù)，需對(duì)不同節(jié)流管直徑時(shí)的ξ進(jìn)行計(jì)算。ξ計(jì)算公式為：

(1)

式中：Δp為活塞兩側(cè)壓差，MPa；Q為流量，m3/h；A為缸體流通面積，m2；ρ為水密度，kg/m3。

圖5 活塞阻力系數(shù)隨δ的變化

當(dāng)伺服管外徑DN分別為30 mm和60 mm時(shí)，ξ隨δ的變化如圖5所示?？煽闯觯篋N不同時(shí)，ξ隨δ的變化規(guī)律相似，且ξ與δ是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。δ小于1.0 mm時(shí)，ξ隨δ的減小快速增大，隨δ的逐漸增大，ξ減小的速率逐漸降低。可推斷，隨伺服管直徑的增大，ξ逐漸減??；但驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)徑為100 mm，為保證驅(qū)動(dòng)活塞具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，伺服管直徑不宜過大，因此在設(shè)計(jì)過程中，考慮到在執(zhí)行事故保護(hù)功能時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能在給定時(shí)間內(nèi)將活動(dòng)系統(tǒng)加快到一定速度，盡量縮短事故動(dòng)作時(shí)間，所以本設(shè)計(jì)最終將伺服管外徑確定為60 mm。

3.2 流量特性分析

不同δ及入口壓力分別為0.1 MPa和0.3 MPa時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作流量仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖6a所示?？煽闯?，δ<1.0 mm時(shí)，流量增加速率大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合度較好；隨δ的增加，流量增大的速率趨緩，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值增大，隨入口壓力的增加，這種差別更明顯。原因是限于網(wǎng)格劃分難度以及網(wǎng)格數(shù)量過多對(duì)計(jì)算機(jī)資源要求過高，對(duì)仿真模型中驅(qū)動(dòng)活塞的螺紋螺桿等進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，且計(jì)算中未考慮系統(tǒng)沿程管路損失。當(dāng)δ較小時(shí)，節(jié)流管的節(jié)流作用更明顯，其他因素影響變小，結(jié)果吻合度升高。在δ<1.2 mm范圍內(nèi)，流量差值并不大，仿真結(jié)果具有可信度，可通過數(shù)值計(jì)算研究機(jī)構(gòu)的工作特性。

由圖6b可知，入口壓力為0.3 MPa時(shí)，隨工作介質(zhì)溫度升至80 ℃，工作流量降低，但降低幅度較小。當(dāng)在高溫高壓環(huán)境中，水的物理性質(zhì)改變較大時(shí)，應(yīng)注意溫度對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作性能的影響。

圖6 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)理論與實(shí)際工作流量的對(duì)比

3.3 壓力特性分析

不同δ時(shí)驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)部流場(chǎng)壓力云圖如圖7所示。從圖7a可看出，活塞下部為高壓區(qū)，活塞上部為低壓區(qū)，高壓區(qū)與低壓區(qū)壓力分布比較均勻，整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)唯一壓力突變區(qū)域在可變節(jié)流口處。圖7b、d為可變節(jié)流口處流場(chǎng)橫截面圖，δ=0.2 mm時(shí)，活塞腔的高壓水經(jīng)過可變節(jié)流口節(jié)流后壓力迅速降低，壓力分界線明顯，且活塞頂部6個(gè)導(dǎo)流孔之間壓力差異很小；隨著節(jié)流管下落，δ=1.0 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)高壓區(qū)與低壓區(qū)分布已不明顯，如圖7c所示。從圖7d也可看出節(jié)流管內(nèi)外壓差變小，節(jié)流管的節(jié)流作用減弱，可變節(jié)流口處壓力分界線不明顯。由圖7可知，當(dāng)δ增加到1.0 mm后，活塞上下部分壓力分布已被明顯改變，壓差變小。

a，c——y-z截面壓力云圖；b，d——x-z截面壓力云圖 a，b——δ=0.2 mm；c，d——δ=1.0 mm

3.4 活塞驅(qū)動(dòng)力分析

活塞受重力G、浮力F′以及由活塞上下部分壓差產(chǎn)生的壓差力F的共同作用，忽略活塞與缸體之間的摩擦阻力，設(shè)向上為正方向，則活塞受力方程為：

(2)

式中：p1為驅(qū)動(dòng)缸下缸壓力，Pa；p2為驅(qū)動(dòng)缸上缸壓力，Pa；D1為驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)徑，m；D2為活塞桿外徑，m；M為活塞與控制棒組件質(zhì)量，kg；ρw為驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)流體密度，kg/m3；ρh為活塞與控制棒平均密度，kg/m3；A0為活塞頂蓋流通口面積，m2。

由式(2)知，在入口壓力保持不變、活塞處于平衡時(shí)，活塞所受向上壓差力F、重力G與浮力F′平衡，合力為0，節(jié)流管位置與活塞受力存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)入口壓力增加，導(dǎo)致F增大，活塞所受的合力F-G+F′>0，于是活塞上升，可變節(jié)流口間隙增大，壓差減小，活塞上升到某一位置后將會(huì)建立新的平衡保持靜止；反之，當(dāng)入口壓力減小，導(dǎo)致F減小，活塞所受的合力F-G+F′<0，活塞下降到某一位置后就會(huì)建立新的平衡，說明該機(jī)構(gòu)具有自平衡功能。

根據(jù)式(1)計(jì)算了不同工作壓力下，δ不同時(shí)活塞的受力情況，結(jié)果示于圖8。計(jì)算結(jié)果表明，隨δ的增大，F(xiàn)先迅速減小，δ大于1.0 mm后，減小速度趨緩。正常工作時(shí)δ小于1.0 mm才能為機(jī)構(gòu)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)節(jié)流管敏感度很高。δ在0.5 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)力會(huì)發(fā)生較大改變。假設(shè)活塞處于穩(wěn)定狀態(tài)，受力平衡，如果存在小擾動(dòng)打破平衡狀態(tài)，活塞會(huì)在0.5 mm范圍內(nèi)重新建立平衡，恢復(fù)靜止；但如果壓力擾動(dòng)非常大，且持續(xù)時(shí)間很長，這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)能否完成有待進(jìn)一步研究。

圖8 F隨δ的變化

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)SHCM的設(shè)計(jì)原理和工作特性進(jìn)行了初步論證分析。結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)部流場(chǎng)以可變節(jié)流口為邊界分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，通過調(diào)節(jié)可變節(jié)流口間隙可迅速改變高低壓區(qū)的壓力分布；機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)可變節(jié)流口間隙小于1.0 mm，且可變節(jié)流口間隙越小，壓差力越大，流量越小；節(jié)流管的有效工作區(qū)間小于0.5 mm，在此范圍內(nèi)，可通過移動(dòng)伺服管迅速改變機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)；機(jī)構(gòu)對(duì)工作壓力和循環(huán)泵功率要求低，流量小，具有自鎖功能，穩(wěn)定工作時(shí)可停泵保持棒位不變，緊急停堆時(shí)可完成迅速下插。

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