CN105973319A - 一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，所述方法包括：步骤1：计算控制棒驱动机构流道的阻力系数；步骤2：基于计算得到的控制棒驱动机构流道阻力系数，将控制棒驱动机构流道等效为等效阻力件，建立控制棒驱动机构排污系统三维CFD模型；步骤3：基于三维CFD模型，计算出不同流量下控制棒驱动机构排污系统内的阻力压降，并拟合成多项式，得到控制棒驱动机构排污系统的阻力压降和系统内流量的关系式，然后通过求解多项式得到给定阻力压降对应的流量，实现了可以有效计算得到结构复杂的控制棒驱动机构在已知系统压降下的系统流量和流动状态，评估系统的排污效果，为系统设计提供参考的技术效果。

Description

一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法

技术领域

本发明涉及研究堆核反应堆领域，具体地，涉及一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法。

背景技术

研究堆反应堆正常运行期间，冷却剂中的杂质会在控制棒驱动机构流道内部浓缩与积聚，影响控制棒驱动机构的运行，同时增大堆下小室内的剂量水平。为了排出反应堆冷却剂中积聚在控制棒驱动机构流道中的杂质，也尽量降低堆下小室的剂量水平，通常需设置控制棒驱动机构排污系统，该系统在倒换料期间对控制棒驱动机构进行排污。控制棒驱动机构排污系统上游连接多根控制棒驱动机构流道和排污管以及排污环管，下游连接疏水排气系统。系统排污时，控制棒驱动机构流道入口的压力和疏水排气系统出口的压力为已知，需要通过计算得到系统内的流量，以计算系统内的流速和流动状态，评估系统的排污效果，为系统设计提供参考。因此在对系统进行水力特性分析时，需要同时考虑系统上游的多根控制棒驱动机构流道和排污管以及排污环管和下游的疏水排气系统。

目前，在给定的阻力压降下，对某个系统进行水力特性分析时，一般采用经典公式或Flowermaster进行一维仿真计算。而计算分析控制棒驱动机构排污系统水力特性时，考虑到控制棒驱动机构流道结构复杂、数量众多，以及环形的排污环管结构，经典公式或Flowmaster一维仿真计算无法实现，因此需要进行三维CFD计算分析。但三维CFD计算方法只能在已知系统内流量条件下计算系统的阻力压降，而不能在给定的阻力压降下计算得到系统内的流量。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的控制棒驱动机构排污系统水力特性三维CFD计算方法存在只能在已知系统内流量条件下计算系统的阻力压降，而不能在给定的阻力压降下计算得到系统内的流量的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，解决了现有的控制棒驱动机构排污系统水力特性三维CFD计算方法存在只能在已知系统内流量条件下计算系统的阻力压降，而不能在给定的阻力压降下计算得到系统内的流量的技术问题，实现了可以有效计算得到结构复杂的控制棒驱动机构在已知系统压降下的系统流量和流动状态，评估系统的排污效果，为系统设计提供参考的技术效果。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案如下：

1)本发明中，由于控制棒驱动机构流道结构复杂，阻力相对较大，因此计算中将其简化为多个并联的圆柱形阻力件，阻力件的阻力系数与控制棒驱动机构流道的阻力系数k相等，为：

$k=\frac{\mathrm{\Δ}P}{v^2\·\mathrm{\Δ}L}---\left(1\right)$

式(1)中ΔP为控制棒驱动机构流道内的压降，v为流道内的平均流速，ΔL为流道的长度，为了得到控制棒驱动机构流道的k值，只要计算某一平均流速v对应的流道内的阻力压降ΔP，该过程可以通过单根控制棒驱动机构流道的三维CFD建模和计算分析完成。

2)计算得到单根控制棒驱动机构流道的阻力系数k后，再建立整个系统的三维CFD模型，建模中将控制棒驱动机构流道部分简化为多个并联的圆柱形阻力件。

3)再计算出不同流量下系统内的阻力压降，拟合成多项式，得到系统的阻力压降和系统内流量的关系式，之后通过求解多项式得到给定阻力压降对应的流量，具体方法为：由于局部阻力压降与流量的平方成正比，沿程阻力压降在湍流状态下与流量的平方成正比，在层流状态下与流量成正比，因此拟合出的多项式为二次多项式；又由于系统内各局部阻力之间的相互干扰，实际上局部阻力压降并不与流量的平方成正比。因此拟合出包括流量的二次项、一次项以及常数项的二次多项式：

AQ²+BQ+C＝ΔP (2)

由于二次多项式(2)中的系数有A、B、C三个，为了定解求出这三个系数，至少需要三个点，因此先给定三个流量Q₁、Q₂、Q₃，分别计算对应的阻力压降ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃，再带入(2)式求得A、B、C的值，之后带入给定的阻力压降ΔP_i，计算出对应的合理的流量值Q_i(二次多项式的解有两个，有意义的解为正值)。

4)最后进行验证。将用以上反推法求得的流量Q_i作为已知流量，用CFD程序计算该流量下系统的阻力压降ΔP_i'，与给定的阻力压降ΔP_i进行比较，如果ΔP_i'和ΔP_i差别很小，则表明通过系统阻力压降反推流量的方法是合理的，通过这种方法求得的流量值也是合理的。

此外，为了使求得的流量Q_i比较准确，在拟合二次多项式的时候，通过对三个阻力压降ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃进行适当的多次迭代，使得ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃覆盖所求压降值。

其中，本申请中的CFD为Computational Fluid Dynamics的缩写，全称为计算流体力学，是主要用于解决工程中的流体和传热问题的计算机软件，其基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而能够近似模拟流体流动情况。目前应用比较好的CFD软件有Flent、CFX、Phoenics、Star-CD。本申请中应用的具体的CFD软件为CFX。本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了将控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法设计为包括：首先计算控制棒驱动机构流道的阻力系数；然后基于计算得到的控制棒驱动机构流道阻力系数，将控制棒驱动机构流道等效为等效阻力件，建立控制棒驱动机构排污系统三维CFD模型；然后基于三维CFD模型，计算出不同流量下控制棒驱动机构排污系统内的阻力压降，并拟合成多项式，得到控制棒驱动机构排污系统的阻力压降和系统内流量的关系式，然后通过求解多项式得到给定阻力压降对应的流量的技术方案，即提出一种在已知控制棒驱动机构排污系统阻力压降条件下，将结构复杂、数量较多的控制棒驱动机构流道简化为阻力件，计算出等效的单个阻力件的阻力系数之后，建立整个系统的三维CFD计算模型，再通过分析拟合得到系统的阻力压降和系统内流量的关系式，之后通过求解多项式反推得到给定系统阻力压降下对应的系统流量，所以，有效解决了现有的控制棒驱动机构排污系统水力特性三维CFD计算方法存在只能在已知系统内流量条件下计算系统的阻力压降，而不能在给定的阻力压降下计算得到系统内的流量的技术问题，进而实现了可以有效计算得到结构复杂的控制棒驱动机构在已知系统压降下的系统流量和流动状态，评估系统的排污效果，为系统设计提供参考的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请实施例一中控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，解决了现有的控制棒驱动机构排污系统水力特性三维CFD计算方法存在只能在已知系统内流量条件下计算系统的阻力压降，而不能在给定的阻力压降下计算得到系统内的流量的技术问题，实现了可以有效计算得到结构复杂的控制棒驱动机构在已知系统压降下的系统流量和流动状态，评估系统的排污效果，为系统设计提供参考的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

参见图1，本申请提供了一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，所述方法包括：

步骤1：计算控制棒驱动机构流道的阻力系数；

步骤2：基于计算得到的控制棒驱动机构流道阻力系数，将控制棒驱动机构流道等效为等效阻力件，建立控制棒驱动机构排污系统三维CFD模型；

步骤3：基于三维CFD模型，计算出不同流量下控制棒驱动机构排污系统内的阻力压降，并拟合成多项式，得到控制棒驱动机构排污系统的阻力压降和系统内流量的关系式，然后通过求解多项式得到给定阻力压降对应的流量。

1)本发明中，由于控制棒驱动机构流道结构复杂，阻力相对较大，因此计算中将其简化为多个并联的圆柱形阻力件，阻力件的阻力系数与控制棒驱动机构流道的阻力系数k相等，为：

$k=\frac{\mathrm{\Δ}P}{v^2\·\mathrm{\Δ}L}---\left(1\right)$

式(1)中ΔP为控制棒驱动机构流道内的压降，v为流道内的平均流速，ΔL为流道的长度。为了得到控制棒驱动机构流道的k值，只要计算某一平均流速v对应的流道内的阻力压降ΔP。该过程可以通过单根控制棒驱动机构流道的三维CFD建模和计算分析完成。

2)计算得到单根控制棒驱动机构流道的阻力系数k后，再建立整个系统的三维CFD模型，建模中将控制棒驱动机构流道部分简化为多个并联的圆柱形阻力件。

3)再计算出不同流量下系统内的阻力压降，拟合成多项式，得到系统的阻力压降和系统内流量的关系式，之后通过求解多项式得到给定阻力压降对应的流量，具体方法为：由于局部阻力压降与流量的平方成正比，沿程阻力压降在湍流状态下与流量的平方成正比，在层流状态下与流量成正比，因此拟合出的多项式为二次多项式；又由于系统内各局部阻力之间的相互干扰，实际上局部阻力压降并不与流量的平方成正比。因此拟合出包括流量的二次项、一次项以及常数项的二次多项式：

AQ²+BQ+C＝ΔP (2)

由于二次多项式(2)中的系数有A、B、C三个，为了定解求出这三个系数，至少需要三个点，因此先给定三个流量Q₁、Q₂、Q₃，分别计算对应的阻力压降ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃，再带入(2)式求得A、B、C的值，之后带入给定的阻力压降ΔP_i，计算出对应的合理的流量值Q_i(二次多项式的解有两个，有意义的解为正值)。

4)最后进行验证。将用以上反推法求得的流量Q_i作为已知流量，用CFD程序计算该流量下系统的阻力压降ΔP_i'，与给定的阻力压降ΔP_i进行比较，如果ΔP_i'和ΔP_i差别很小，则表明通过系统阻力压降反推流量的方法是合理的，通过这种方法求得的流量值也是合理的。

此外，为了使求得的流量Q_i比较准确，在拟合二次多项式的时候，通过对三个阻力压降ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃进行适当的多次迭代，使得ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃覆盖所求压降值。

下面，举例对本申请进行具体介绍：

某控制棒驱动机构排污系统由16根并联的控制棒驱动机构流道和与之相连的排污管、1根排污环管、1根疏水排气管组成。工作时，系统入口的压力为1.0963MPa，出口的压力为0.1MPa。系统压降为0.9963MPa。

经对控制棒驱动机构流道进行三维CFD建模，得到其对应的等效内径为30mm，再计算不同流量下流道的压降，得到对应的阻力系数k的平均值为771。因此控制棒驱动机构流道等效的圆柱形阻力件的内径为30mm，阻力系数为771。

用以上计算得到的圆柱形阻力件等效控制棒驱动机构流道，建立整个系统的三维CFD模型。分别计算流量为13.674t/h、23.564t/h、38.425t/h时系统的压降为0.0962MPa、0.4962MPa、0.1.4962MPa。根据这三组数据，拟合二项式AQ²+BQ+C＝ΔP，得到二项式的系数A＝0.001087、B＝-0.00003239、C＝-0.1066。当系统压降为0.9963MPa时，带入求解一元二次方程，得到流量为31.867t/h(另一个流量值为负，舍去)。

用流量31.867t/h作为输入，在三维CFD模型中计算系统的压降，得到计算压降值为0.9965MPa，与给定系统压降0.9963MPa相差只有0.02％，可见经过验证表明，通过系统阻力压降反推流量的方法是合理的，通过这种方法求得的流量值也是合理的。上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了将控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法设计为包括：首先计算控制棒驱动机构流道的阻力系数；然后基于计算得到的控制棒驱动机构流道阻力系数，建立控制棒驱动机构排污系统三维CFD模型；然后基于三维CFD模型，计算出不同流量下控制棒驱动机构排污系统内的阻力压降，并拟合成多项式，得到控制棒驱动机构排污系统的阻力压降和系统内流量的关系式，然后通过求解多项式得到给定阻力压降对应的流量的技术方案，即提出一种在已知控制棒驱动机构排污系统阻力压降条件下，将结构复杂、数量较多的控制棒驱动机构流道简化为阻力件，计算出等效的单个阻力件的阻力系数之后，建立整个系统的三维CFD计算模型，再通过分析拟合得到系统的阻力压降和系统内流量的关系式，之后通过求解多项式反推得到给定系统阻力压降下对应的系统流量，所以，有效解决了现有的控制棒驱动机构排污系统水力特性三维CFD计算方法存在只能在已知系统内流量条件下计算系统的阻力压降，而不能在给定的阻力压降下计算得到系统内的流量的技术问题，进而实现了可以有效计算得到结构复杂的控制棒驱动机构在已知系统压降下的系统流量和流动状态，评估系统的排污效果，为系统设计提供参考的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：计算控制棒驱动机构流道的阻力系数；

步骤2：基于计算得到的控制棒驱动机构流道阻力系数，将控制棒驱动机构流道等效为等效阻力件，建立控制棒驱动机构排污系统三维CFD模型；

步骤3：基于三维CFD模型，计算出不同流量下控制棒驱动机构排污系统内的阻力压降，并拟合成多项式，得到控制棒驱动机构排污系统的阻力压降和系统内流量的关系式，然后通过求解多项式得到给定阻力压降对应的流量。

2.根据权利要求1所述的控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，其特征在于，所述方法还包括步骤4：将求得的流量作为已知流量，用CFD程序计算该流量下系统的阻力压降，将计算得到的阻力压降与给定的阻力压降进行比较验证。

3.根据权利要求1所述的控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，其特征在于，控制棒驱动机构流道等效为多个并联的圆柱形阻力件，圆柱形阻力件的阻力系数与控制棒驱动机构流道的阻力系数相等。

4.根据权利要求1所述的控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，其特征在于，所述步骤1具体为：采用式1计算控制棒驱动机构流道的阻力系数k，式1为：其中，ΔP为控制棒驱动机构流道内的压降，v为流道内的平均流速，ΔL为流道的长度。

5.根据权利要求1所述的控制棒驱动机构排污系统水力特性计算方法，其特征在于，所述多项式为二次多项式(2)，二次多项式(2)为：AQ²+BQ+C＝ΔP(2)，其中，A、B、C为参数，Q为控制棒驱动机构排污系统内的流量，ΔP为控制棒驱动机构排污系统内的压降。