CN115186603A - 一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法，步骤如下：建立燃料棒与棒束间冷却剂流道几何模型；划分棒束间冷却剂流道的计算流体力学网格、与之共节点的燃料棒的计算固体力学网格；针对冷却剂在棒束间流动问题做计算流体力学模拟，记录随时间稳定振荡的燃料棒上压力时空分布；建立夹持机构几何模型；划分夹持机构的计算固体力学网格，并与燃料棒的计算固体力学网格组装；针对夹持机构预紧并与燃料棒相互作用、夹持机构受反应堆内效应影响而松弛问题做计算固体力学模拟，获得相关固体力学物理场；将燃料棒上压力时空分布导入至固体力学物理场，形成一套考虑反应堆内效应的计算燃料棒在冷却剂驱动下与夹持机构相互作用的数值模拟方法。

Description

一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法
技术领域
本发明属于方法发明技术领域，具体涉及到一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法。
背景技术
目前最广泛应用的反应堆堆型为压水反应堆，其中最经典的设计为燃料以圆柱棒束形式，被定位格架上的弹簧和刚凸固定在压力容器之中。在反应堆运行时，燃料棒和夹持装置受蠕变等因素影响，之间的夹持力会产生松弛，与此同时燃料棒受冷却剂流体影响，与弹簧和刚凸间产生碰撞摩擦相互作用，导致燃料包壳产生破损，进而导致燃料失效，这种现象被称作格架-燃料棒微动磨损(grid-to-rod fretting wear,GTRF)。因GTRF而造成的磨损是目前压水堆棒束型燃料失效的主要原因。
然而，目前针对在这一问题上的计算方法上的相关研究，往往将燃料棒端面简单约束，未考虑燃料棒与夹持机构间的接触相互作用，也未考虑夹持机构在堆内因辐照等效应而产生的松弛行为。因此发明一种引入燃料棒和夹持机构的接触模型、夹持机构在反应堆内效应模型，计算燃料棒受流体驱动下与夹持机构的相互作用的方法具有较大意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供考虑到夹持机构受堆内效应松弛的情况下，计算燃料棒与夹持机构相互作用的一种方法。
为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明方法采用计算流体力学软件针对压水堆棒束流场做数值模拟，获得燃料棒上不同时刻不同位置的流体压力数据；采用计算固体力学软件针对燃料棒与夹持机构的结构场做数值模拟，获得燃料棒与夹持机构因预紧力夹紧而相互作用并考虑到夹持机构因堆内效应而松弛的结构力场；将不同时刻不同位置的流体压力数据导入到之前的结构力场作为外载荷，经过计算，即可形成一套考虑反应堆内效应的计算燃料棒在冷却剂驱动下与夹持机构相互作用的数值模拟方法。
一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法，包括如下步骤：
步骤1：建立燃料棒三维几何模型与棒束间冷却剂流道的三维几何模型；
步骤2：在步骤1的棒束间冷却剂流道的三维几何模型上划分棒束间冷却剂流道的计算流体力学网格；
步骤3：在步骤1的燃料棒三维几何模型上划分燃料棒的计算固体力学网格，燃料棒的计算固体力学网格在燃料棒边界上的节点分布应与步骤2的计算流体力学网格在燃料棒边界上的节点分布相似；
步骤4：在计算流体力学求解器中导入步骤2划分的棒束间冷却剂流道计算流体力学网格，设置反应堆运行时的冷却剂流道的边界条件，运行求解器，当燃料棒上的压力随时间稳定振荡时，记录每个时间步上燃料棒上的压力在空间上的分布；
步骤5：建立夹持机构的三维几何模型；
步骤6：在步骤5的夹持机构的三维几何模型上划分夹持机构的计算固体力学网格，并与步骤3产生的燃料棒的计算固体力学网格组装为一套网格；
步骤7：在计算固体力学求解器中导入步骤6组装的燃料棒与夹持机构的计算固体力学网格，添加燃料棒计算域与夹持机构计算域之间的接触设置、夹持机构预紧与固定边界条件、夹持机构受反应堆内效应影响而松弛的蠕变模型，运行求解器，获得燃料棒受预紧夹持机构夹持的、夹持机构因堆内效应松弛的固体力学物理场；
步骤8：将步骤4中获得的燃料棒上的压力在空间和时间上的分布作为载荷导入至步骤7中得到的固体力学物理场，经过计算，完成考虑反应堆内效应的计算燃料棒在冷却剂作用下与夹持机构相互作用的数值模拟。
本发明具有以下优点和有益效果：
1)能够实现考虑反应堆内效应的燃料棒在冷却剂作用下与夹持机构相互作用的流固耦合计算；
2)方法通用性强，适用于不同压水堆燃料棒束的流致振动问题。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为能用于数值模拟的冷却剂流道和燃料棒的三维几何模型中的最小单元。
图3为能用于数值模拟的夹持机构的三维几何模型中的最小单元。
图4为将燃料棒几何模型与夹持机构几何模型组装成的一个几何模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明提供了一种考虑堆内效应的计算燃料棒在冷却剂驱动下与夹持机构相互作用的计算方法，具体方法如下：
步骤1：通过三维建模软件UG、SolidWorks、ANSYS Spaceclaim、ANSYSDesignModeler等，依据真实的燃料棒束设计，创建燃料棒束间冷却剂流道的三维几何模型和燃料棒的三维几何模型，如图2所示。将棒束间冷却剂流道的三维几何模型和燃料棒的三维几何模型导入至ANSYS DesignModeler中，使用Form new part功能标记这两个三维几何模型为一个“部件”，该处理方法使得在步骤2和步骤3中，棒束间冷却剂流道几何与燃料棒几何对应的网格在交界面处能共节点。
步骤2：将步骤1建立的棒束间冷却剂流道的三维几何模型导入至网格生成软件ANSYS Workbench Mesh模块中，选取合适的全局网格尺寸和局部网格尺寸，划分流体域-固体域共节点网格。将固体域的数据去除，即可得到燃料棒束间冷却剂流道的计算流体力学网格。
步骤3：将步骤2中的流体域-固体域共节点网格中的流体域的数据去除，即可得到燃料棒的计算固体力学网格，燃料棒的计算固体力学网格在燃料棒边界上的节点分布与步骤2得到的计算流体力学网格在燃料棒边界上的节点分布相同。
步骤4：将步骤2中的棒束间冷却剂流道的计算流体力学网格导入至计算流体力学求解器软件ANSYS FLUENT中，添加反应堆运行时的冷却剂流道的边界条件，进行计算流体力学数值模拟。求解时使用监测功能，观察燃料棒边界上的压力值随时间的变化情况。待燃料棒边界上的压力值随时间出现稳定振荡后，使用ASCII文件，记录每个时间步上燃料棒上的压力在空间上的分布。
步骤5：使用三维建模软件，依据真实的定位格架夹持机构形状设计，建立夹持机构三维几何模型，为划分计算固体力学网格做准备，如图3所示。
步骤6：将步骤3中的燃料棒的计算固体力学网格导出为储存网格节点信息的stl格式几何模型，与步骤5中的夹持机构的三维几何模型组装为一个几何文件，组装后的几何如图4所示，将组装后的几何文件导入至网格生成软件ANSYS Workbench Mesh模块中，在燃料棒部分的设置中取消所有网格尺寸额外设置，以保证在燃料棒上生成的网格与燃料棒几何上标记的节点相同，在夹持机构部分的设置中选取合适的全局网格尺寸，划分燃料棒与夹持机构的计算固体力学网格。
步骤7：将划分好的燃料棒与夹持机构的计算固体力学网格导入至计算固体力学求解器软件ANSYS Workbench Transient Structural模块，添加燃料棒计算域与夹持机构计算域之间的接触设置，使用ANSYS UPF(User Programmable Features)二次开发工具写入夹持机构材料受反应堆内效应影响而松弛的蠕变应变模型，添加夹持机构预紧后固定的外载荷，调整载荷步设置，进行计算固体力学数值模拟，获得燃料棒受预紧夹持机构夹持的、夹持机构因堆内效应松弛的固体力学物理场。
步骤8：使用ANSYS Workbench中的External Data模块，将步骤4中通过计算流体力学数值模拟得到的每个时间步上燃料棒上的压力在空间上的分布作为载荷输入至步骤7中固体力学物理场，经过计算，完成考虑反应堆内效应的计算燃料棒在冷却剂作用下与夹持机构相互作用的数值模拟。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立燃料棒三维几何模型与棒束间冷却剂流道的三维几何模型；
步骤2：在步骤1的棒束间冷却剂流道的三维几何模型上划分棒束间冷却剂流道的计算流体力学网格；
步骤3：在步骤1的燃料棒三维几何模型上划分燃料棒的计算固体力学网格，燃料棒的计算固体力学网格在燃料棒边界上的节点分布应与步骤2的计算流体力学网格在燃料棒边界上的节点分布相似；
步骤4：在计算流体力学求解器中导入步骤2划分的棒束间冷却剂流道计算流体力学网格，设置反应堆运行时的冷却剂流道的边界条件，运行求解器，当燃料棒上的压力随时间稳定振荡时，记录每个时间步上燃料棒上的压力在空间上的分布；
步骤5：建立夹持机构的三维几何模型；
步骤6：在步骤5的夹持机构的三维几何模型上划分夹持机构的计算固体力学网格，并与步骤3产生的燃料棒的计算固体力学网格组装为一套网格；
步骤7：在计算固体力学求解器中导入步骤6组装的燃料棒与夹持机构的计算固体力学网格，添加燃料棒计算域与夹持机构计算域之间的接触设置、夹持机构预紧与固定边界条件、夹持机构受反应堆内效应影响而松弛的蠕变模型，运行求解器，获得燃料棒受预紧夹持机构夹持的、夹持机构因堆内效应松弛的固体力学物理场；
步骤8：将步骤4中获得的燃料棒上的压力在空间和时间上的分布作为载荷导入至步骤7中得到的固体力学物理场，经过计算，完成考虑反应堆内效应的计算燃料棒在冷却剂作用下与夹持机构相互作用的数值模拟。
2.根据权利要求1所述的一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法，其特征在于：将棒束间冷却剂流道的三维几何模型和燃料棒的三维几何模型导入至几何建模仿真软件ANSYS DesignModeler中，使用Form new part功能标记这两个三维几何模型为一个“部件”，该处理方法使得在步骤2和步骤3中，棒束间冷却剂流道几何与燃料棒几何对应的网格在交界面处能共节点。
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王莹杰;王明军;鞠浩然;张大林;田文喜;秋穗正;苏光辉;: "先进压水堆带定位格架5×5燃料棒束通道热工水力特性CFD数值模拟" *

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