基于LMS軟件平臺(tái)的核電反應(yīng)堆落棒流固耦合仿真分析

余志偉，劉佳，石銀明，羅英，郭海保

（1.核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.LMS 國(guó)際公司，北京 100101）

0 引言

反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)線是由驅(qū)動(dòng)桿、控制棒組件、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向組件以及燃料組件組成，它是核電反應(yīng)堆中唯一具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。作為核電反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)線的落棒時(shí)間是反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要參數(shù)之一。如何有效地在設(shè)計(jì)初期對(duì)落棒時(shí)間有一個(gè)基本預(yù)估，尋找對(duì)落棒時(shí)間存在的主影響因素，分析影響因素產(chǎn)生的規(guī)律趨勢(shì)，其基本接觸、碰撞、摩擦、變形等是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，阻尼孔產(chǎn)生的流體阻力設(shè)計(jì)是否滿足要求，是否還有改進(jìn)的空間，對(duì)于極端工況是否滿足安全性基本要求，運(yùn)行后期故障查找等，這些都是技術(shù)工程師需要考慮的問(wèn)題。

從目前所得到的公開分析資料看，國(guó)內(nèi)外對(duì)落棒分析做了大量研究，主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式、理論分析和試驗(yàn)對(duì)流體作用力進(jìn)行分析研究，建立的模型大都為一維或者二維，對(duì)機(jī)械作用力研究較少［1-2］。本文正是基于這種情況，使用LMS 軟件平臺(tái)中的Virtual.Lab Motion 和Imagine.Lab AMESim 軟件進(jìn)行流固耦合仿真，一方面基于平臺(tái)的成熟和通用性，另一方面基于流固耦合的分析方法，來(lái)進(jìn)行落棒時(shí)間的研究分析。

1 流體阻力建模

基于Imagine.Lab AMESim 軟件平臺(tái)的流體阻力模型可以充分考慮流水阻尼孔、環(huán)形縫隙等流體阻尼和黏性摩擦。

1.1 驅(qū)動(dòng)桿頂部容腔壓力建模

頂部容腔半油半氣的狀態(tài)，存在蓄能器效應(yīng)。在落棒快速下落過(guò)程中，由于是封閉腔，其腔內(nèi)壓力隨著下落速度和下降高度的增加而減小，這會(huì)導(dǎo)致控制棒的上下腔壓力發(fā)生變化，控制棒的下降過(guò)程中受力發(fā)生變化。因此，頂部腔壓的變化會(huì)影響到落棒速度，需要進(jìn)行詳細(xì)建模。如圖1。

圖1 容腔模型

1.2 驅(qū)動(dòng)桿與鉤爪組件、浮動(dòng)套等流體阻力建模

驅(qū)動(dòng)桿與鉤爪組件和浮動(dòng)套的流體阻力計(jì)算涉及兩個(gè)方面，一是環(huán)形縫隙產(chǎn)生的壓降，二是流體與邊界的黏性摩擦產(chǎn)生的黏性摩擦力，這兩個(gè)方面是落棒過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的因素。如圖2。

1.3 浮動(dòng)套浮動(dòng)及流體浮動(dòng)通流建模

浮動(dòng)套設(shè)計(jì)為了調(diào)節(jié)落棒速度，當(dāng)落棒速度在某個(gè)范圍時(shí)，流體可以打開浮動(dòng)套，增大驅(qū)動(dòng)桿對(duì)頂部容積的通流效果，從而可以增加落棒速度，降低落棒時(shí)間。因此浮動(dòng)套是需要建模過(guò)程中重點(diǎn)考慮的，如圖3。

1.4 導(dǎo)向管與控制棒流體阻力建模

圖3 浮動(dòng)套建模

導(dǎo)向管與控制棒之間的流體阻力計(jì)算是相對(duì)比較麻煩的，因?yàn)槠渖婕皫讉€(gè)方面：

1）導(dǎo)向管與控制棒之間的環(huán)形縫隙。導(dǎo)向管與控制棒之間的環(huán)形縫隙流和驅(qū)動(dòng)桿與鉤爪組件之間的環(huán)形縫隙流類似，主要是環(huán)形縫隙流產(chǎn)生流體壓降和流體與邊界產(chǎn)生黏性摩擦力。此處環(huán)形間隙在緩沖段前和緩沖段后分成兩組不同的環(huán)形縫隙，因此在模型中需要對(duì)緩沖段進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理。

2）底部流水孔。底部流水孔的大小對(duì)于整個(gè)落棒的流體阻力影響是明顯的，由于流水孔的分布為緩沖段前4 個(gè)流水孔加1 個(gè)底部流水孔同時(shí)分流，緩沖段后系統(tǒng)的流量由緩沖段間隙產(chǎn)生雙向分流，即一部分通過(guò)底部流水孔直接流出，另一部分由緩沖段間隙分流至中部的4 個(gè)流水孔。

3）緩沖段。緩沖段是控制棒在快落到底部的急劇減速段，控制棒與導(dǎo)向管在緩沖段前與緩沖段后的特性是完全不一樣的，不僅需要將緩沖段前后的流阻模型建立完整，同時(shí)需要將緩沖段位置監(jiān)測(cè)出來(lái)，以控制流體在緩沖段前后的流動(dòng)特性。

以上三部分內(nèi)容基本可以描述控制棒在導(dǎo)向管內(nèi)部所受的阻力特性，并可以完整描述各個(gè)階段流體阻力特性。模型如圖4。

圖4 導(dǎo)向管與控制棒模型

以上是單束導(dǎo)向管與控制棒的流體阻力模型，如果多束（例如24 束），需要進(jìn)行整合建模及耦合處理。

通過(guò)Imagine.Lab AMESim 軟件建立的流體阻力系統(tǒng)模型，可以方便地進(jìn)行流體阻力分析，分析因子包括：a.介質(zhì)黏度影響；b.介質(zhì)溫度影響；c.介質(zhì)壓力狀態(tài)影響；d.流水阻尼孔尺寸及形狀影響；e.緩沖段設(shè)置影響；f.控制棒各局部與對(duì)應(yīng)邊界尺寸間隙影響。這些內(nèi)容已經(jīng)比較充分細(xì)致地考慮了反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)線控制棒落棒流體阻力特性。針對(duì)控制棒落棒過(guò)程中動(dòng)力學(xué)影響因素，即控制棒下落過(guò)程中存在的碰撞、接觸摩擦、控制棒變形等因素對(duì)于落棒的影響，需要運(yùn)用到多體動(dòng)力學(xué)來(lái)詳細(xì)建模分析。

2 多體動(dòng)力學(xué)建模

基于Virtual.Lab Motion 的反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)線的多體動(dòng)力學(xué)建模，是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程?？刂瓢粼诼浒暨^(guò)程中存在隨機(jī)載荷、接觸、變形、摩擦等影響，這些工作運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)的方法很難進(jìn)行影響因子分析，通過(guò)Virtual.Lab Motion 可以很好地進(jìn)行詳細(xì)的落棒動(dòng)力學(xué)仿真分析?？梢钥紤]的因子：1）驅(qū)動(dòng)桿與邊界產(chǎn)生的碰撞接觸；2）控制棒與邊界產(chǎn)生的碰撞接觸（如圖5）；3）柔性化控制棒；4）柔性化驅(qū)動(dòng)桿。

圖5 控制與導(dǎo)向管接觸碰撞模型

3 耦合仿真分析

基于Imagine.Lab AMESim 建立的流體阻力模型和Virtual.Lab Motion 建立的落棒機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，分別考慮流體阻力和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)部分。在真實(shí)的落棒過(guò)程中，是流體阻力與機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的耦合過(guò)程，即流固耦合效應(yīng)，這也一直是落棒歷程分析中困難的地方。

圖6 耦合仿真分析

LMS 軟件平臺(tái)提供了Imagine.Lab AMESim 和Virtual.Lab Motion 無(wú)縫耦合仿真的接口，使得落棒歷程流固耦合分析快速精確。

4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)耦合仿真分析，可以得到仿真落棒歷程和各主要參數(shù)，如圖7～圖11 所示。

圖7 位移曲線

圖8 速度曲線

圖9 流體阻力曲線

圖10 摩擦力曲線

圖11 浮動(dòng)套浮動(dòng)位移曲線

圖12 速度曲線

同時(shí)，通過(guò)控制棒驅(qū)動(dòng)線物理樣機(jī)試驗(yàn)，可以得到實(shí)際落棒速度曲線，如圖12 所示。

最后，通過(guò)比較分析可知，基于仿真分析所得到的落棒快插時(shí)間（控制棒進(jìn)入導(dǎo)向管緩沖段的時(shí)間）、全行程落棒時(shí)間以及歷程與對(duì)應(yīng)的控制棒驅(qū)動(dòng)線物理樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，結(jié)果比較一致，進(jìn)一步證明了該仿真方法以及結(jié)果的正確性。

［1］于建華，魏永濤，孫磊，等.控制棒組件在流體環(huán)境中下落時(shí)所受阻力的計(jì)算［J］.核動(dòng)力工程，2001，22（3）：236－241.

［2］孫磊，于建華，魏永濤，等.控制棒組件落棒時(shí)間與歷程計(jì)算［J］.核動(dòng)力工程，2003，24（1）：59－62.