高速气冷剂条件下绕丝燃料棒流致振动特性的数值研究

《Annals of Nuclear Energy》：Numerical study on flow-induced vibration characteristics of wire-wrapped fuel rods under high-speed gas coolant conditions

　　

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  建立了高速气体冷却剂条件下绕丝燃料棒的单向流固耦合框架。
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  绕丝几何结构在单棒和棒束构型中均诱导出强烈的三维非均匀流动。
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  气体附加质量效应可忽略不计，表明棒振动主要由流动激励控制。

引言

空间核反应堆作为能够提供长期、稳定、高功率能源供应的关键技术，在深空探测、极地科学研究和核动力飞行器中发挥着至关重要的作用。在空间反应堆中，绕丝燃料棒组件不仅能维持燃料棒之间的间距，还能增强气体冷却剂的流动和传热性能。然而，气体冷却剂具有低密度和高流速的特点，在绕丝结构作用下容易产生复杂的三维涡旋和非均匀流场，从而诱发显著的流致振动（FIV）。长期振动可能导致燃料棒疲劳损伤、微动磨损甚至结构失效，进而危及反应堆安全。因此，研究气体冷却剂条件下绕丝燃料棒的流致振动特性，对于理解振动机制和确保空间反应堆安全具有重要意义。

围绕不同冷却剂条件下绕丝燃料棒的流致振动特性，已有大量数值研究（Brockmeyer et al., 2020, Chen et al., 2018, Cong et al., 2023, De Pauw et al., 2016, De Santis and Shams, 2020, Huang et al., 2015, Liu et al., 2026, Liu et al., 2017, Pacio et al., 2017, Qi et al., 2018, Qin et al., 2022, Qin et al., 2025, Wu et al., 2015, Shams et al., 2018）。多项研究采用流固耦合（FSI）方法和数值模拟，研究了液态金属冷却剂条件下绕丝燃料棒的流致振动特性（Brockmeyer et al., 2020, Cong et al., 2023, De Santis and Shams, 2020, Liu et al., 2026）。近期，Cong等人（2023）利用计算流体动力学（CFD）模拟结合统计谱分析，研究了LBE冷却的绕丝燃料棒束。研究表明，绕丝结构诱导的横向流动增强了湍流强度和压力脉动，从而影响了振动位移分布和频谱特性。同样，在水冷条件下绕丝燃料棒的流致振动行为也得到了广泛研究（Chen et al., 2018, Huang et al., 2015, Liu et al., 2017, Qi et al., 2018, Wu et al., 2015）。例如，Chen等人（2018）研究了水冷条件下带有定位格架的5×5燃料棒束。基于欧拉-伯努利梁理论和Fluent动网格流固耦合方法，分析了湍流强度和流速对均方根（RMS）振动位移的影响，并讨论了定位格架对振动响应分布的调制效应。

近年来，研究日益关注低速气体冷却条件下结构的流致振动行为。Kim等人（2008）通过气液两相流实验研究了流速和结构参数对流致振动行为的影响。近年来，高速气态冷却剂的流动和传热特性逐渐受到关注（Chen et al., 2021, Li et al., 2024, Zhang et al., 2024）。Chen等人（2021）研究了绕丝结构对氦氙气体流动和传热特性的影响。结果表明，绕丝的存在显著增大了范宁摩擦因子，部分结构构型导致努塞尔数降低。Li等人（2024）数值研究了不同紧密栅格棒束通道中氦氙冷却剂的流动和传热性能，观察到综合传热性能随栅格比增大先增大后减小。这些研究揭示了高速气体在绕丝和棒束结构内的流动与传热特性，为气冷反应堆设计提供了重要见解。然而，结构动力响应方面的关注较少。在空间反应堆等实际运行工况下，冷却剂通常为低密度、高速度气体，会产生强烈的湍流脉动和复杂的非定常激励。因此，有必要对高速气体冷却剂条件下绕丝燃料棒的流致振动特性开展系统性研究。

本工作数值研究了低密度、高速气体冷却剂条件下单根绕丝棒和7棒束的流致振动（FIV）。为此，基于典型棒/棒束几何构建了三维流固耦合模型，并实施了单向耦合策略。采用SST k-ω湍流模型以更好地解析近壁流动及相关涡旋结构。在高温（1100 K）和高压（2 MPa）气体的热物理条件下，系统考察了入口速度为30–50 m/s时的流动行为，特别关注绕丝诱导的速度、压力和湍流动能场。随后将CFD模拟得到的瞬态压力载荷映射到结构模型上，以确定棒的位移和频谱响应。进行干湿模态分析以评估气体冷却剂对结构模态特性和附加质量效应的影响。此外，直接比较了单根绕丝棒和7棒束的振动响应，以研究棒束构型对结构响应的影响。研究结果有望为先进空间气冷反应堆燃料组件的设计和安全评估提供理论指导。

章节摘要

控制方程

本工作将气体冷却剂建模为具有不变热物理性质的不可压缩介质。为表征流场，采用连续性和动量守恒定律，表达如下：$$\frac{?{\rho }_f}{?t}+\mathrm{?}·{(\rho }_{f}v)=0$$$$\frac{?{\rho }_{f}v}{?t}+\mathrm{?}·({\rho }_{f}vv-{\tau }_f)=f_f$$其中 ${\rho }_f$ 为流体密度，t 表示时间，v 为流体速度矢量，${\tau }_f$ 为剪切应力张量，$f_f$ 为体积力矢量。

燃料棒被视为线弹性结构。其动态响应由以下方程控制：

单棒流场分析

图6展示了绕丝棒周围的特征流动结构。图6a显示了位于Z?=?0.25、0.50和0.75 m处三个代表性横向截面的速度分布。可以看出，高速和低速区域的周向位置随绕丝在不同轴向位置的局部位置而变化。在绕丝附近的狭窄间隙中观察到明显的高速区域（图6a中标出），表明局部流动

结论

本工作采用单向流固耦合方法，数值研究了高速气体冷却剂条件下绕丝燃料棒的流致振动特性。系统分析了不同入口速度条件下单根绕丝棒和7棒绕丝棒束的流场特性、压力分布和脉动、模态特性以及结构振动响应。主要发现总结如下：

CRediT作者贡献声明

陈明鑫：方法论、软件、正式分析、调查、可视化、撰写–初稿。刘明霞：方法论、验证、撰写–审阅与编辑。刘海东：方法论、验证、监督、撰写–审阅与编辑、经费获取。李云明：监督、资源。黄永忠：监督、资源、撰写–审阅与编辑。张兴宏：方法论。陈德奇：监督。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的会潜在影响本论文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢重庆市教育委员会科学技术研究计划项目（基金编号：KJQN202401126）和中国核动力研究设计院领军人才基金项目（基金编号：KJCX-2024-LJ-02）的资助。

陈明鑫|刘明霞|刘海东|李云明|黄永忠|张兴宏|陈德奇