تحليل نيروهاي ارتعاشي القايي غيردائم وارد بر يك مجتمع سوخت هسته‌اي در جريان محوري مغشوش

Analysis of Unsteady Fluid Induced Vibration Forces on a Nuclear Fuel Rod Bundle in Turbulent Axial Flow

در قلب (مركز راكتور) يك نيروگاه‌هاي هسته‌اي، مجموعه‌اي از ميله‌هاي سوخت كه توسط شبكه‌هاي نگهدارنده در كنار هم نگه داشته شده‌اند، يك مجتمع سوخت را تشكيل مي‌دهند. عبور جريان خنك‌كننده از اطراف ميله‌ها و ايجاد آشفتگي جريان، به‌خصوص در اطراف شبكه‌هاي نگهدارنده، نيروهاي عرضي، ارتعاشي و غيردائم به ميله‌ها اعمال مي‌كند. تنش دوره‌اي ناشي از اين ارتعاشات، علاوه بر خوردگي سايشي غلاف ميله‌ها، باعث خستگي و كاهش استحكام مكانيكي آن‌ها خواهد شد. در اين پژوهش، اندازه، دامنه و شدت نوسانات اين نيروها به دست آمده و مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته است. براي بررسي اثر پره‌هاي مغشوش‌كنندۀ موجود روي شبكه‌هاي نگهدارنده، شبيه‌سازي‌ها براي دو نوع شبكۀ نگهدارنده با پره‌هاي مغشوش‌كننده و بدون پره‌هاي مغشوش‌كننده انجام شده است. مقايسۀ نتايج به‌دست‌آمده با نتايج تجربي، تطابق خوبي را نشان مي‌دهد. نتايج نشان مي‌دهد كه وجود پره‌هاي مغشوش‌كننده باعث افزايش حدود 17% در افت فشار مي‌شود. نيروهاي واردشده بر شبكۀ نگهدارنده كه در پايين‌دست جريان قرار دارد، 10% كمتر از نيروهاي واردشده به شبكۀ نگهدارندۀ بالادستي است. آناليز نوسانات نيروهاي واردشده به مجتمع سوخت نشان مي‌دهد كه دامنۀ ارتعاشات در فركانس‌هاي كمتر از 300 هرتز، نسبتاً بالاست.

At a nuclear power plants a set of fuel rods held together by spacer grids form a fuel bundle. The coolant flow passing around the rods and the resulting flow turbulence, especially around the spacer grids, exerts transverse, vibrational, and unsteady forces on the rods. The periodic tensions generated by these vibrations will result in fatigue and the reduced mechanical strength of the rods as well as the erosion and the corrosion of the rod clad. In this study, these forces are analyzed in terms of magnitude, amplitude, and intensity of oscillations. To identify the effect of mixing vanes on the spacer grids, simulations were performed for spacer grids both with/without vanes. The obtained results are in good agreement with experimental results. Results showed a 17% increase in pressure drop due to the presence of mixing vanes. The forces exerted to the spacer in the downstream are 10% less than the forces in upstream. Analyses of the fluctuations of the forces applied to the fuel rod bundle showed the amplitude of the vibrations is relatively high at frequencies below 300 Hz.