CN115186603B - 一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法 - Google Patents

一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115186603B
CN115186603B CN202210711271.2A CN202210711271A CN115186603B CN 115186603 B CN115186603 B CN 115186603B CN 202210711271 A CN202210711271 A CN 202210711271A CN 115186603 B CN115186603 B CN 115186603B
Authority
CN
China
Prior art keywords
clamping mechanism
fuel rod
computational
fuel
mechanics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210711271.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115186603A (zh
Inventor
巫英伟
王一浒
章静
焦拥军
郑美银
苏光辉
秋穗正
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202210711271.2A priority Critical patent/CN115186603B/zh
Publication of CN115186603A publication Critical patent/CN115186603A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115186603B publication Critical patent/CN115186603B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

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。
CN202210711271.2A 2022-06-22 2022-06-22 一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法 Active CN115186603B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210711271.2A CN115186603B (zh) 2022-06-22 2022-06-22 一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210711271.2A CN115186603B (zh) 2022-06-22 2022-06-22 一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115186603A CN115186603A (zh) 2022-10-14
CN115186603B true CN115186603B (zh) 2023-04-18

Family

ID=83515250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210711271.2A Active CN115186603B (zh) 2022-06-22 2022-06-22 一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115186603B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110598303A (zh) * 2019-09-06 2019-12-20 西安交通大学 一种建立堵流条件下快中子反应堆燃料组件网格模型的方法
CN112699620A (zh) * 2021-01-08 2021-04-23 西安交通大学 基于计算流体力学的反应堆堆芯热工水力特性分析方法
CN114282460A (zh) * 2021-12-31 2022-04-05 西安交通大学 一种铅铋快堆堆芯热工水力特性分析方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8548789B2 (en) * 2008-02-11 2013-10-01 Westinghouse Electric Company Llc Methodology for modeling the fuel rod power distribution within a nuclear reactor core

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110598303A (zh) * 2019-09-06 2019-12-20 西安交通大学 一种建立堵流条件下快中子反应堆燃料组件网格模型的方法
CN112699620A (zh) * 2021-01-08 2021-04-23 西安交通大学 基于计算流体力学的反应堆堆芯热工水力特性分析方法
CN114282460A (zh) * 2021-12-31 2022-04-05 西安交通大学 一种铅铋快堆堆芯热工水力特性分析方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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.核动力工程.2020,(第S1期),全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115186603A (zh) 2022-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109063235B (zh) 一种用于反应堆模拟的多物理耦合系统及方法
CN111291494B (zh) 用于核反应堆triso燃料颗粒的多尺度多物理场耦合模拟方法
CN111881524B (zh) 一种阀门流量特性模拟实验方法
CN111048221B (zh) 精确获得快中子反应堆瞬态过程中反应性反馈变化的方法
CN111859824B (zh) 一种稳压器泄压阀开启过程的流固耦合方法
Kothe CASL: the consortium for advanced simulation of light water reactors
CN115186603B (zh) 一种计算燃料棒与夹持机构相互作用的方法
CN112052579A (zh) 一种基于浮动网格的核-热-力多物理耦合计算方法
CN114997081A (zh) 一种大型压水堆堆芯结构流致振动的数字反应堆仿真分析方法
CN113486471A (zh) 一种弹簧金属c形环的密封特性数值模拟分析方法
CN114757123B (zh) 一种用于板形核燃料堆芯的跨维度流固耦合分析方法
CN115544804A (zh) 一种核反应堆中子物理-热工水力-燃料性能耦合分析方法
CN112668072A (zh) 用于核反应堆燃料组件抗震分析的建模方法
CN111400948B (zh) 一种应力释放螺栓所受应力的有限元计算方法
CN115620843B (zh) 用于反应堆棒状燃料非线性力学性能分析的计算方法
Greenwood et al. Nuclear hybrid energy systems south east regional case progress report
CN112699433A (zh) 一种用于核反应堆燃料组件抗震分析建模子结构类型进行分类的方法
Lefebvre et al. Integration of the Nek5000 Computational Fluid Dynamics Code with the NEAMS Workbench
Yu et al. Application of MCS/CTF/FRAPCON Multi-physics Coupling Code System in BEAVRS Cycle 1 Depletion Simulation
Mikkelson HYBRID Modeling Validation and Verification Status Matrix
CN112100887B (zh) 一种核反应堆控制棒组件的控制棒受力载荷计算方法
Greenwood et al. Nuclear Hybrid Energy System Model Stability Testing
Shemon et al. Application of the SHARP toolkit to Sodium-cooled fast reactor challenge problems
Bissen Stability and bifurcation analysis of sodium boiling in a GEN IV SFR reactor core
Fisher et al. Application of Boron Feedback From BOA CIPS/CILC Analysis on Neutronic Models

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant