基于动网格的控制棒驱动线浮棒行为数值模拟

2021.05科学技术创新基于动网格的控制棒驱动线浮棒行为数值模拟
颜达鹏1，2段春辉1，2李国栋1，2方才顺1，2王晓童1，2彭宇1，2徐世超1，2
岳宁2
（1、中国核动力研究设计院核反应堆系统设计重点实验室，四川成都6102132、中国核动力研究设计院，
四川成都610213）2002年，第四代核能系统国际论坛（Generation IV International Forum ，GIF ）公布了第四代核能系统六种参考堆型以及研究路线图，此后又分别于2012年11月、2015年5月、
2018年10月举办第二、三、四届GIF 研讨会，从不同方面讨论交流了四代堆的研发历程[1]。

其中，以铅基反应堆为代表的液态金属冷却反应堆在流动、传热等特性上与压水堆有诸多不同之处。

压水堆控制棒驱动线一般利用重力实现快速落棒，以实现失水或地震事故工况下的非能动快速停堆，
在控制棒行程末端利用控制棒和控制棒导向管形成的小间隙封闭水腔实现缓冲，降低形成末端的冲击力。

而液态金属冷却反应堆的冷却剂的密度大于压水堆冷却剂水的密度[2]，压水堆所采用的依靠重力实现安全停堆的方式不再适用于液态金属反应堆，这对于控制棒驱动线安全落棒设计带来了一定的挑战。

国内外学者对于液态金属冷却反应堆进行了诸多研究。

魏诗颖等[3]针对铅基反应堆蓬勃发展的现状，
从5个方向梳理了在铅基反应堆研究过程中存在的关键热工水力特性问题。

特别是针对控制棒落棒研究分析，国内学者的工作主要集中在压水堆领域，对于液态金属冷却反应堆开展的研究工作仍比较少。

张康龙[4]针对铅铋冷却反应堆内密度高浮力大的特殊环境，设计了一种既能满足合理控制反应堆反应性，
又能匹配密度高浮力大特殊环境的补偿棒组件方案，即通过增加配重件来实现补偿棒组件的快速下落。

何逸凡[5]通过分析铅铋环境下控制棒落棒时所受到的作用力，针对正常工况及地震工况下的落棒行为进行了数值模拟研究，通过对比高、低配重条件下的落棒时间，研究了铅铋流速、配重件重量对铅铋堆落棒时间的影响规律。

黎闫等[6]通过求解质量与压降方程、运动方程等计算分析了钠冷快堆安全棒在360℃钠液中的落棒过程，并分别开展了温度敏感性分析及流量敏感性分析。

鉴于液态金属的密度大于控制棒驱动线运动部件的平均
密度，本文考虑利用密度差原理来实现控制棒快速停堆功能。

在冷却剂产生的浮力大于控制棒驱动线运动部件重力情况下，控制棒驱动线运动部件可实现任何种类的控制棒紧急情况下快速插入堆芯。

本文利用计算流体动力学（CFD ）瞬态动网格数值计算方法开展了液态金属冷却堆控制棒驱动线浮棒过程的数值仿真，构建了控制棒驱动线浮棒过程数值模拟的基本方法，计算获得了控制棒驱动线上浮所需的时间，为驱动线设计提供了一定的参考。

1控制棒落棒计算模型及计算方法
本文所研究的对象为液态金属冷却堆控制棒驱动线，
考虑到三维CFD 计算周期长，所需的计算资源庞大，同时，计算域为回转体结构，因此在本报告中采用二维CFD 方法开展数值模拟。

建立流体区域模型如图1所示。

其中，黄色区域为流体域模型，即计算域，蓝色区域为控制棒驱动线，在仿真中不参与计算。

出于计算的方便，初步认为控制棒驱动线完全浸没在液态金属介质中。

控制棒受浮力作用，将沿竖直方向向上运动。

在控制棒上
升过程中，控制棒与控制棒导向管之间的2mm 间隙将会产生压差阻力，避免控制棒上浮速度过快导致驱动线结构与堆内其他结构发生严重碰撞，破坏驱动线及堆内构件结构完整性。

采用二维模型划分计算域网格，在间隙处设置最大尺寸为0.5mm 的网格，保证间隙流域至少有4层节点，能够较好的捕捉固体壁面边界层的流动细节。

二维计算域计算网格节点总计51w ，网格
摘要：控制棒驱动线的合理设计是保证事故工况下控制棒实现安全停堆功能的必要条件。

液态金属冷却反应堆由于其特殊的冷却剂性质，采用落棒方式实现停堆功能存在一定的困难。

本文基于密度差原理，利用计算流体动力学瞬态动网格方法研究了在浮力作用下的液态重金属冷却反应堆控制棒浮棒过程，得到了浮棒过程中控制棒位移特性曲线及速度特性曲线，并探究了浮棒过程流场演化特性。

通过本文的仿真计算分析，为后续液态金属冷却反应堆驱动线结构设计，特别是控制棒与导向管之间的间隙值的设计提供一定的参考。

关键词：液态金属；冷却反应堆；驱动线；动网格；数值模拟中图分类号：TL351.5，TM623
文献标识码：A
文章编号：2096-4390(2021)05-0001-03
作者简介：颜达鹏（1989-），男，硕士研究生，工程师，研究方向为反应堆结构
设计。

图1驱动线二维模型
1--
科学技术创新2021.05
数总计92w 。

控制棒上浮过程中不考虑温度影响，可认为是定温不可压缩的湍流运动，其满足质量守恒方程和动量守恒方程，如式（1）、（2）所示。

质量守恒：（1）
动量守恒
（N-S 方程）：（2）
式中，u i 为质点流速（m/s ）；p 为压力（Pa ）；x i 为质点坐标（m ）；f i 为质量力（N ）；t 为时间（s ）；υ为运动粘度（m 2/s ）；ρ为流体密度（kg/m 3）；i ，j=1，2，3。

控制棒上浮仿真必须借助动网格技术。

动网格适用于模型中有运动边界的情况，即模拟流场中流域边界随时间运动而导
致流域变化的流场。

动网格模型已应用在阀门启闭过程，泵、压缩机内部流场分析、翼型设计优化、流固耦合研究、气缸活塞运动计算、多体分离过程（如飞机投弹模拟）等领域。

ANSYS Fluent 软件的动网格技术十分成熟，网格重构方式分为：Smoothing （光顺法）、Layering （动态层法）和Remeshing （重构法）三种方式，并且包含了专门针对运动规律未知的被动运动问题的6-DOF 模型。

采用二维瞬态数值模拟，重力加速度方向沿-y 方向，大小为9.81m/s 2。

选取湍流模型为RNG k-ε模型。

流体设置为自定义的液态金属介质，设置其密度为10562.59kg/m 3，动力粘度为0.003209kg/（m ·s ）。

边界条件是流体在运动边界上应该满足的条件，一般会对数值计算结果产生重要的影响。

本次模拟中给定的边界条件为流体域上方为压力出口边界，压力值为大气压；设置移动壁面（即驱动线固体表面）为运动区域，设置相应的动网格参数时选用Smoothing 以及Remeshing ，具体参数可选用默认值，亦可根据算例计算情况进行手动调节，
以增加算例的可计算性。

激活6-DOF 模型，设置运动物体的质量为190kg （依据燃料组件及其相关部件的物性参数公式计算所得的平均密度所得）
，运动自由度为单自由度，沿y 方向为正。

设置瞬态计算时间步长为
0.001s 。

2数值模拟结果分析2.1浮棒过程特性曲线分析
计算所得的控制棒上浮770mm 的时间为1.258s ，速度特性曲线、位移特性曲线分别如图2、图3所示。

分析浮棒过程运动特性曲线可知，在浮力作用下，控制棒克
服重力向上运动，运动过程大致分为快速上升阶段、加速度放缓阶段、加速度平稳阶段。

在快速上升阶段，控制棒初始加速度约为1.5m/s 2，控制棒在浮力驱动下速度迅速增加，直至约0.54s 时达到0.61m/s ；随着控制棒上浮速度增加，
间隙处的液体阻力也逐渐增加，在重力、浮力不变的情况下，液体阻力增加，控制棒上浮的加速度逐渐减小，控制棒进入加速度放缓阶段；0.9s 以后，控制棒速度趋于平稳，控制棒也即将进入行程末段，即加速度平稳阶段。

1.258s 时控制棒在浮力作用下到达顶部。

2.2浮棒过程流场分析
图4、图5分别为t=0.5s 及t=1.2s 时流域的压力分布。

图4t=0.5s 压力分布
图5t=1.2s 压力分布
由图可知，
由于t=0.5s 是控制棒上方的流体域压强较小，底部压强整体较大，这是由于控制棒逐渐在上浮，
上方的流体被挤压，沿两侧的流道流入控制棒底部区域；
而控制棒与导向管0i
i
u x 21i i i j i i i j j
u u u p u f t x x x x
图3浮棒过程位移特性曲线
图2
浮棒过程速度特性曲线
2--
2021.05科学技术创新的间隙仅为2mm ，大部分流体难以沿间隙流道向上流动，只能跟随控制棒不断向上运动，导致控制棒底部区域压强增高。

t=1.2s 时表现更为明显，全场的压力最高区域集中在控制棒底部区域，最大压力可达17.7MPa 。

而在控制棒控制棒顶部区域，
由于大量流体从两侧流向下方，而下方的流体不能及时通过控制棒间隙流道向上流动补充进来，导致顶部区域存现一定的负压区。

控制棒底部与顶部的压强差给了控制棒向上的作用力，加速控制棒上浮。

而控制棒狭小的间隙流道又产生极大的流动阻力，阻碍控制棒向上浮动。

加之控制棒所受到的重力、浮力，控制棒在各种力的作用下达到受力平衡状态，加速度趋于零。

图6为t=1.2s 时控制棒底部区域速度矢量分布图。

可见，大量流体沿两侧流道进入底部后又向上流动，
两侧的流体在中间区域发生激烈碰撞，产生大量的漩涡结构及回流现象，造成了一定的流动损失。

经过充分的能量交换后大部分液体以较高流速向上运动，此时流动损失现象减少，
流动逐渐趋于稳定。

通过全流域压力分析及速度矢量分析，
可知控制棒与导向管之间的间隙值对于控制棒上浮时间作用明显，
要想在设计之初给出核实的间隙设计值，应考虑通过CFD 方法进行数值模拟，初步得到设计参考值后再开展驱动线落棒试验，以降低试验成本，提升控制棒驱动线设计效率。

3结论
本文基于浮力上升原理，
利用CFD 方法数值模拟了液态金属冷却堆控制棒驱动线浮棒过程流场的演化规律，
得到了浮棒过程中位移、速度随时间的变化规律。

分析表明，控制棒上浮过程历经三个阶段：快速上升阶段、加速度放缓阶段、
加速度平稳阶段。

控制棒在浮力驱动下迅速上升，随着控制棒速度的增加，间隙流道的液体阻力逐渐增加，控制棒在重力、浮力、液体阻力以及顶部与底部的压强差的作用下逐渐达到平衡状态。

参考文献
[1]王建强，戴志敏，徐洪杰.核能综合利用研究现状与展望[J].中国科学院院刊，2019，34(04)：460-468.[2]吴宜灿.铅基反应堆研究进展与应用前景[J].现代物理知识，
2018，30(04)：35-39.
[3]魏诗颖，王成龙，田文喜等.铅基快堆关键热工水力问题研究综述[J].原子能科学技术，2019，53(2)：326-336.[4]张康龙.铅铋冷却反应堆补偿棒组件初步设计与分析[D].合
肥：中国科学技术大学，2015.
[5]何逸凡.铅铋介质环境控制棒落棒动态规律研究[D].唐山：华北电力大学，2017.[6]黎闫，任丽霞.钠冷快堆中安全棒落棒过程的水力计算[J].核科
学与工程，2019，39(01)：
67-72.
图6t=1.2s 时控制棒底部区域速度矢量分布
3--。