基于LMS软件平台的核电反应堆落棒流固耦合仿真分析

余志伟，刘佳，石银明，罗英，郭海保

（1.核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610041；2.LMS 国际公司，北京 100101）

0 引言

反应堆控制棒驱动线是由驱动杆、控制棒组件、驱动机构、导向组件以及燃料组件组成，它是核电反应堆中唯一具有相对运动的系统。作为核电反应堆安全运行的重要环节，反应堆控制棒驱动线的落棒时间是反应堆驱动设计时的主要参数之一。如何有效地在设计初期对落棒时间有一个基本预估，寻找对落棒时间存在的主影响因素，分析影响因素产生的规律趋势，其基本接触、碰撞、摩擦、变形等是否在设计范围内，阻尼孔产生的流体阻力设计是否满足要求，是否还有改进的空间，对于极端工况是否满足安全性基本要求，运行后期故障查找等，这些都是技术工程师需要考虑的问题。

从目前所得到的公开分析资料看，国内外对落棒分析做了大量研究，主要依靠经验公式、理论分析和试验对流体作用力进行分析研究，建立的模型大都为一维或者二维，对机械作用力研究较少［1-2］。本文正是基于这种情况，使用LMS 软件平台中的Virtual.Lab Motion 和Imagine.Lab AMESim 软件进行流固耦合仿真，一方面基于平台的成熟和通用性，另一方面基于流固耦合的分析方法，来进行落棒时间的研究分析。

1 流体阻力建模

基于Imagine.Lab AMESim 软件平台的流体阻力模型可以充分考虑流水阻尼孔、环形缝隙等流体阻尼和黏性摩擦。

1.1 驱动杆顶部容腔压力建模

顶部容腔半油半气的状态，存在蓄能器效应。在落棒快速下落过程中，由于是封闭腔，其腔内压力随着下落速度和下降高度的增加而减小，这会导致控制棒的上下腔压力发生变化，控制棒的下降过程中受力发生变化。因此，顶部腔压的变化会影响到落棒速度，需要进行详细建模。如图1。

图1 容腔模型

1.2 驱动杆与钩爪组件、浮动套等流体阻力建模

驱动杆与钩爪组件和浮动套的流体阻力计算涉及两个方面，一是环形缝隙产生的压降，二是流体与边界的黏性摩擦产生的黏性摩擦力，这两个方面是落棒过程中需要重点考虑的因素。如图2。

1.3 浮动套浮动及流体浮动通流建模

浮动套设计为了调节落棒速度，当落棒速度在某个范围时，流体可以打开浮动套，增大驱动杆对顶部容积的通流效果，从而可以增加落棒速度，降低落棒时间。因此浮动套是需要建模过程中重点考虑的，如图3。

1.4 导向管与控制棒流体阻力建模

图3 浮动套建模

导向管与控制棒之间的流体阻力计算是相对比较麻烦的，因为其涉及几个方面：

1）导向管与控制棒之间的环形缝隙。导向管与控制棒之间的环形缝隙流和驱动杆与钩爪组件之间的环形缝隙流类似，主要是环形缝隙流产生流体压降和流体与边界产生黏性摩擦力。此处环形间隙在缓冲段前和缓冲段后分成两组不同的环形缝隙，因此在模型中需要对缓冲段进行监测处理。

2）底部流水孔。底部流水孔的大小对于整个落棒的流体阻力影响是明显的，由于流水孔的分布为缓冲段前4 个流水孔加1 个底部流水孔同时分流，缓冲段后系统的流量由缓冲段间隙产生双向分流，即一部分通过底部流水孔直接流出，另一部分由缓冲段间隙分流至中部的4 个流水孔。

3）缓冲段。缓冲段是控制棒在快落到底部的急剧减速段，控制棒与导向管在缓冲段前与缓冲段后的特性是完全不一样的，不仅需要将缓冲段前后的流阻模型建立完整，同时需要将缓冲段位置监测出来，以控制流体在缓冲段前后的流动特性。

以上三部分内容基本可以描述控制棒在导向管内部所受的阻力特性，并可以完整描述各个阶段流体阻力特性。模型如图4。

图4 导向管与控制棒模型

以上是单束导向管与控制棒的流体阻力模型，如果多束（例如24 束），需要进行整合建模及耦合处理。

通过Imagine.Lab AMESim 软件建立的流体阻力系统模型，可以方便地进行流体阻力分析，分析因子包括：a.介质黏度影响；b.介质温度影响；c.介质压力状态影响；d.流水阻尼孔尺寸及形状影响；e.缓冲段设置影响；f.控制棒各局部与对应边界尺寸间隙影响。这些内容已经比较充分细致地考虑了反应堆驱动线控制棒落棒流体阻力特性。针对控制棒落棒过程中动力学影响因素，即控制棒下落过程中存在的碰撞、接触摩擦、控制棒变形等因素对于落棒的影响，需要运用到多体动力学来详细建模分析。

2 多体动力学建模

基于Virtual.Lab Motion 的反应堆驱动线的多体动力学建模，是一个复杂过程。控制棒在落棒过程中存在随机载荷、接触、变形、摩擦等影响，这些工作运用经验公式或试验的方法很难进行影响因子分析，通过Virtual.Lab Motion 可以很好地进行详细的落棒动力学仿真分析。可以考虑的因子：1）驱动杆与边界产生的碰撞接触；2）控制棒与边界产生的碰撞接触（如图5）；3）柔性化控制棒；4）柔性化驱动杆。

图5 控制与导向管接触碰撞模型

3 耦合仿真分析

基于Imagine.Lab AMESim 建立的流体阻力模型和Virtual.Lab Motion 建立的落棒机构动力学模型，分别考虑流体阻力和动力学两个部分。在真实的落棒过程中，是流体阻力与机构动力学的耦合过程，即流固耦合效应，这也一直是落棒历程分析中困难的地方。

图6 耦合仿真分析

LMS 软件平台提供了Imagine.Lab AMESim 和Virtual.Lab Motion 无缝耦合仿真的接口，使得落棒历程流固耦合分析快速精确。

4 计算结果

通过耦合仿真分析，可以得到仿真落棒历程和各主要参数，如图7～图11 所示。

图7 位移曲线

图8 速度曲线

图9 流体阻力曲线

图10 摩擦力曲线

图11 浮动套浮动位移曲线

图12 速度曲线

同时，通过控制棒驱动线物理样机试验，可以得到实际落棒速度曲线，如图12 所示。

最后，通过比较分析可知，基于仿真分析所得到的落棒快插时间（控制棒进入导向管缓冲段的时间）、全行程落棒时间以及历程与对应的控制棒驱动线物理样机试验数据相比，结果比较一致，进一步证明了该仿真方法以及结果的正确性。

［1］于建华，魏永涛，孙磊，等.控制棒组件在流体环境中下落时所受阻力的计算［J］.核动力工程，2001，22（3）：236－241.

［2］孙磊，于建华，魏永涛，等.控制棒组件落棒时间与历程计算［J］.核动力工程，2003，24（1）：59－62.