【CAE案例】燃料棒组件LES大涡模拟

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01 研究背景

流致振动是目前核反应堆技术，尤其是压水堆相关技术的主要研究课题。除了需要防止流体弹性不稳定现象导致快速失效之外，还需要考虑流动过程中湍流的长期激励影响。例如，微动磨损仍然是世界范围内燃料棒泄漏的主要原因之一，这是湍流引起的燃料棒振动造成的。

该课题的研究目前主要通过专门的实验来进行，使用数值模型的方法模拟这一过程对于计算流体动力学(CFD)软件来说仍然具有挑战性，因为在燃料组件内的棒/格栅级结构上施加的流体载荷具有随机和湍流诱导的性质。

本案例选取了CALIFS实验作为参考实验，使用code_saturne测试软件针对燃料组件的流致振动现象模拟能力。

图1：燃料组件

02 模型建立

本案例选取CALIFS实验作为参考，CALIFS 5×5是在0-400 m3/h、10°-70°C、0-10 bar范围内工作的水钻机。测试部分的长度约为2.5 m。流动横截面为边长184 mm的正方形。使用直径为26.9mm的燃料棒，将5×5棒束放置在使用格栅的测试部分内。管束的水力直径（以下记为Dh）为27.7mm，用作参考长度刻度。实验尺度大于1是为了使用适当的传感器来测量沿杆的压力。测试是在2.4 m.s-1的流速和20℃的流动温度下进行的，实验的参考雷诺数为66000，满足求解器测试湍流状态下的模拟结果。

图2：装配叶片的混合格栅的结构视图

计算使用的网格为结构化网格，共包含4200万个六面体单元。虽然网格创建复杂且耗时，但网格质量非常重要，不能引入不适用于LES的网格单元造成数值耗散。计算验证了对数壁函数几乎在任何地方都有效，除了格栅中的某些符合LES壁建模的y+要求的位置（全局y+>20）。周期性的顶部和底部也是结构化的网格。

图3：带格栅部分（左）和裸束区（右）网格

根据先前对单一燃料棒模拟的经验，选择大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）模型作为湍流模型。在流向上使用周期性平移条件，施加的压力梯度由流速计算得出。

03 结果分析

下图显示了使用code_saturne在混合叶片格栅下游1Dh和2Dh处获得的瞬时2D速度矢量图。二次横向流动清楚地展示了混流翼是分体式的。

图4：格栅下游1倍Dh处流速分布

图5：格栅下游2倍Dh处流速分布

由code_saturne预测的T1线处的垂直速度和横向速度与实验数据对比的结果如下图所示，对于两个位置上两个分速度数据，数值模拟的结果和实验数据之间的误差很小。code_saturne在预测横向速度方面更为准确。对于横向速度，可以清楚地观察到距离格栅2 Dh处的符号变化（介于 - 0.5 和 0.5 m/s 之间），这表明格栅附近的混流翼的影响非常明显；在5Dh下游，垂直和横向速度振荡的幅度减小：混流翼的影响自然减小。在大约10Dh之后，流动趋向于在裸束中的充分发展状态，但仍能观测到次级涡流的痕迹（此处未显示）。