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.非能動核能安全技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206)

控制棒組件是核電廠的核心設(shè)備，其完整性和其及時下落功能對核電廠安全至關(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)向筒下部開有流水孔，流水孔在控制棒下落時排出導(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，從堆芯流出的流體在外部掠過導(dǎo)向筒的流水孔時，可能有一部分冷卻劑會通過流水孔進入導(dǎo)向筒內(nèi)部，從而對控制棒產(chǎn)生橫向沖刷，進而引起控制棒組件的振動、疲勞甚至磨損變形，直接影響核電廠的安全運行。如果流水孔的尺寸過大，落棒阻力會較小，但進入導(dǎo)向筒的流量會增加而導(dǎo)致控制棒的流致振動增強；反之亦然。雖然在常規(guī)設(shè)計中核算了流水孔的臨界尺寸以平衡落棒阻力和流致振動，但是壓水堆核電廠還是會出現(xiàn)由上述問題引發(fā)的落棒延遲或控制棒流致振動過大事件。例如大亞灣核電廠就發(fā)生過由于法馬通的導(dǎo)向筒流水孔設(shè)計修改導(dǎo)致1號機組7組控制棒落棒時間超出驗收準則的問題[1]。

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

針對上述問題及研究現(xiàn)狀，本研究提出了新型設(shè)計方案，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流水孔進入控制棒導(dǎo)向筒的流體受阻，流量減小，同時保證控制棒下落過程中排水順暢。本研究的前期工作[12]，已經(jīng)針對控制棒導(dǎo)向筒周邊的流動行為開展了基于簡化模型的實驗研究，通過可視化技術(shù)，測得了控制棒導(dǎo)向筒附近的流場分布，同時針對這一實驗?zāi)Ｐ瓦M行數(shù)值模擬，通過實驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果對比，初步驗證了數(shù)值計算模型及方法對于求解該問題的適用性。

為了驗證本改進設(shè)計的有效性，本文運用上述經(jīng)過實驗驗證的計算方法和模型，對控制棒導(dǎo)向筒及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了更為精確的建模，并對改進前和改進后的設(shè)計方案分別進行了基于CFD的數(shù)值模擬與分析，獲得了改進前與后設(shè)計方案下的流場分布特性，通過改進前與后的流場對比分析，判斷阻流板的阻流效果，評價該橫向流動流速對控制棒流致振動效果的影響。

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)向筒實驗及計算模型結(jié)構(gòu)

本研究前期工作中，已經(jīng)針對控制棒導(dǎo)向筒周邊的流動行為開展了基于簡化模型的實驗研究[12]。本文在控制棒流致振動等比例實驗臺架原型的基礎(chǔ)上增加控制棒根數(shù)及控制棒導(dǎo)向板數(shù)量，更真實地模擬實際反應(yīng)堆控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選取實驗段下部為研究對象，采用三維CFD軟件FLUENT進行改進前及改進后不同設(shè)計方案的數(shù)值模擬與分析。控制棒流致振動實驗段結(jié)構(gòu)圖及數(shù)值模擬模型如圖1所示。

圖1 控制棒流致振動實驗臺架及數(shù)值模擬模型

計算模型主要包括三部分主要結(jié)構(gòu)：

(1)外部筒體形成實驗段冷卻劑流動邊界，內(nèi)部流體模擬堆芯上腔室內(nèi)的冷卻劑流動狀態(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堆導(dǎo)向筒相同尺寸設(shè)計，上下部導(dǎo)向筒內(nèi)設(shè)置與實堆相同數(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，但對控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)整體流動特性影響不大。外部筒體側(cè)面及控制棒導(dǎo)向筒下部各設(shè)置一個進水口，分別模擬實堆中通過控制棒導(dǎo)向筒流水孔的側(cè)方來流，以及由導(dǎo)向筒底部進入的自下而上流動的冷卻劑，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)格進行網(wǎng)格劃分；控制棒導(dǎo)向筒周圍流場及阻流板區(qū)域結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。將兩組區(qū)域的網(wǎng)格在FLUENT中采用Interface進行連接后實現(xiàn)整體耦合計算，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)格進行了敏感性分析，考慮到計算的精確性與經(jīng)濟性，最終采用1 081萬網(wǎng)格進行數(shù)值計算研究。本文對三種設(shè)計方案分別進行網(wǎng)格劃分及計算：

(1)原型(改進前)設(shè)計方案：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，起到阻礙流體進入流水孔的效果。針對這一結(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，以模擬實際冷卻劑流動情況，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3(a)所示，其他設(shè)計方案處理方法相同。

(2)兩組阻流板設(shè)計方案：在控制棒導(dǎo)向筒側(cè)面正對入口處的兩個流水孔外側(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)計方案：在控制棒導(dǎo)向筒四周共八個流水孔外側(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)計方案及網(wǎng)格劃分方式

1.3 主要邊界條件及計算方法

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

(2)湍流模型采用標準k-ε模型，配合標準壁面函數(shù)；

(3)計算方法采用SIMPLE算法，動量項差分格式采用二階迎風(fēng)格式，其他項均采用二階格式；

(4)對計算域進行穩(wěn)態(tài)計算，收斂精度達到1×10 s-5以下。

2 計算結(jié)果分析

2.1 控制棒導(dǎo)向筒原型(改進前)方案計算結(jié)果分析

原型工況下，模擬堆芯上腔室的側(cè)方流量通過控制棒導(dǎo)向筒下部側(cè)面的流水孔流入，同時，來自堆芯上腔室的一部分流量通過控制棒導(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，原型整體流場及速度場如圖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，一部分流體通過控制棒導(dǎo)向筒下部正對來流方向的流水孔直接流入導(dǎo)向筒內(nèi)部，對控制棒連續(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程中，通過導(dǎo)向筒四周的流水孔進入導(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作用下，向上流動，對控制棒的直接擾動影響較小。

圖5 豎直方向監(jiān)測線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1.53 m/s。進入控制棒導(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)第二個速度峰值約1.48 m/s，其水平方向合速度矢量分布見圖4(d)。另外，控制棒導(dǎo)向筒下部流水孔處受到水平側(cè)方來流影響較小，原因是該區(qū)域受到來自控制棒導(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，帶動側(cè)方來流向上流動，減弱了其水平方向的擾動。圖6(b)進一步對比了豎直方向的不同監(jiān)測線水平合速度分布規(guī)律，可見，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)方來流擾動最為明顯，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)值計算結(jié)果表明，原型設(shè)計中，通過側(cè)方流水孔進入控制棒導(dǎo)向筒的流體對控制棒產(chǎn)生明顯的橫向擾動，其中上部流水孔附近流體水平合流速最大，對該區(qū)域控制棒的沖刷擾動作用較為明顯。

2.2 控制棒導(dǎo)向筒阻流板改進方案計算結(jié)果分析

本研究所設(shè)計的改進方案包括：(1)兩組阻流板設(shè)計方案：在控制棒導(dǎo)向筒側(cè)面正對入口處的兩個流水孔外側(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)計方案：在控制棒導(dǎo)向筒四周共八個流水孔外側(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行計算，兩種設(shè)計方案關(guān)鍵區(qū)域流場分布結(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)橫向擾流的沖刷強度，但無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法有效改善控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)流體流動特性。

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)處達到最大值，約0.3 m/s。因此，計算結(jié)果表明，增加周向8組阻流板后，側(cè)方來流對控制棒的擾動明顯減弱。

圖8 8組阻流板方案流動速度分析

2.3 不同方案下計算結(jié)果對比分析

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)測線Line 1、Line 3及水平監(jiān)測線C2計算結(jié)果對比如圖9所示。

由圖9不同設(shè)計方案對比結(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，但是其他三個側(cè)面橫向入水口處橫向流速與原型設(shè)計相比相差不大；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)計的20%～30%左右。

圖9 不同設(shè)計方案水平合速度對比

因此，相比于原型設(shè)計，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)域的橫向流動仍較為明顯；在控制棒導(dǎo)向筒周向8個流水孔附近增設(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振幅，保證事故工況下控制棒安全、及時落棒。

3 結(jié)論

本文基于控制棒流致振動實驗[12]，對控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了更為精細的建模，提出了新型阻流板設(shè)計方案，并對改進前和改進后的設(shè)計方案分別進行了三維CFD數(shù)值模擬研究及對比分析，評價阻流板的阻流效果，主要結(jié)論如下：

(1)控制棒導(dǎo)向筒原型設(shè)計中，側(cè)方來流對控制棒的橫向沖刷較為強烈，側(cè)面進水口處的流體水平合速度最大，對該區(qū)域控制棒的流致振動影響較為明顯。

(2)相比于原型設(shè)計，兩組阻流板設(shè)計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，總體上無法有效減小控制棒流致振動振幅。

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

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之間不平衡問題的一種有效方法。

致謝

本工作由國家重大科技專項經(jīng)費資助(2012ZX06004-012)。