【CAE案例】燃料棒組件LES大渦模擬

CAE璐姐

2023年2月3日 17:14

研究背景

流致振動是目前核反應堆技術，尤其是壓水堆相關技術的主要研究課題。除了需要防止流體彈性不穩定現象導致快速失效之外，還需要考慮流動過程中湍流的長期激勵影響。例如，微動磨損仍然是世界范圍內燃料棒泄漏的主要原因之一，這是湍流引起的燃料棒振動造成的。

該課題的研究目前主要通過專門的實驗來進行，使用數值模型的方法模擬這一過程對于計算流體動力學(CFD)軟件來說仍然具有挑戰性，因為在燃料組件內的棒/格柵級結構上施加的流體載荷具有隨機和湍流誘導的性質。

本案例選取了CALIFS實驗作為參考實驗，使用code_saturne測試軟件針對燃料組件的流致振動現象模擬能力。

圖1：燃料組件

02 模型建立

本案例選取CALIFS實驗作為參考，CALIFS 5×5是在0-400 m3/h、10°-70°C、0-10 bar范圍內工作的水鉆機。測試部分的長度約為2.5 m。流動橫截面為邊長184 mm的正方形。使用直徑為26.9mm的燃料棒，將5×5棒束放置在使用格柵的測試部分內。管束的水力直徑（以下記為Dh）為27.7mm，用作參考長度刻度。實驗尺度大于1是為了使用適當的傳感器來測量沿桿的壓力。測試是在2.4 m.s-1的流速和20℃的流動溫度下進行的，實驗的參考雷諾數為66000，滿足求解器測試湍流狀態下的模擬結果。

圖2：裝配葉片的混合格柵的結構視圖

計算使用的網格為結構化網格，共包含4200萬個六面體單元。雖然網格創建復雜且耗時，但網格質量非常重要，不能引入不適用于LES的網格單元造成數值耗散。計算驗證了對數壁函數幾乎在任何地方都有效，除了格柵中的某些符合LES壁建模的y+要求的位置（全局y+>20）。周期性的頂部和底部也是結構化的網格。

圖3：帶格柵部分（左）和裸束區（右）網格

根據先前對單一燃料棒模擬的經驗，選擇大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）模型作為湍流模型。在流向上使用周期性平移條件，施加的壓力梯度由流速計算得出。

03 結果分析

下圖顯示了使用code_saturne在混合葉片格柵下游1D_h和2D_h處獲得的瞬時2D速度矢量圖。二次橫向流動清楚地展示了混流翼是分體式的。

【CAE案例】燃料棒組件LES大渦模擬的圖4

圖4：格柵下游1倍Dh處流速分布

【CAE案例】燃料棒組件LES大渦模擬的圖5

圖5：格柵下游2倍Dh處流速分布

由code_saturne預測的T1線處的垂直速度和橫向速度與實驗數據對比的結果如下圖所示，對于兩個位置上兩個分速度數據，數值模擬的結果和實驗數據之間的誤差很小。code_saturne在預測橫向速度方面更為準確。對于橫向速度，可以清楚地觀察到距離格柵2 D_h處的符號變化（介于 - 0.5 和 0.5 m/s 之間），這表明格柵附近的混流翼的影響非常明顯；在5D_h下游，垂直和橫向速度振蕩的幅度減小：混流翼的影響自然減小。在大約10D_h之后，流動趨向于在裸束中的充分發展狀態，但仍能觀測到次級渦流的痕跡（此處未顯示）。