换热器管束流体激振研究的新思路

提出了一种快速简便地求解非定常粘性流方程的方法、以得到换热器管束复杂流道内作用于振动管子上的流体激振力。简述了如何将管束流动的流体弹性稳定性分析与工程实际的振动疲劳破坏相联系，以及怎样在求解流动基本方程的基础上分析管束复杂流道内的振荡压力传播。将求解复杂流动的快速方法—参数多项式方法与流体激振的全功能分析及振荡压力传播理论结合起来，为管束流体激振研究开拓了一个新的途径。     

管束结构的流致振动特性研究

为研究管束结构的流致振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,建立了正方形顺排排列弹性管束流固耦合系统的三维数值模型,并研究了不同弹性管束模型的流体力及振动响应特性。结果表明,管束结构的排列方式对流体力及动力学响应有很大的影响,5管模型能基本反映弹性管束的振动特性,而单管模型预测的临界速度较大,却可定性反映节径比为1.5正方形管束的流致振动特性。     

两串列管与两并列管的流致振动特性研究

为研究管束中的流-固耦合问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,实现计算结构动力学(CSD)与计算流体力学(CFD)之间的联合仿真,建立三维流体诱发弹性管束振动的数值模型。用本模型对单管振动响应进行数值模拟,并与已有实验数据比较证明了模型的合理性后,对三维弹性管的流-固耦合振动进行数值模拟分析。研究结果表明,发生锁定时单管的运动轨迹为"8"字型;两并列管的升力与横向变形幅值相等、相位相反,流体力、振幅随着间距的增加而减小,当间距大于1.5D后,两管间的相互影响基本消失,响应接近单管;两串列管中下游管的升力与振幅随节径比的增大而增大,当间距大于2D后,上游管几乎不受下游管的影响,流体力与振幅接近单管。     

两串列管与两并列管的流致振动特性研究

为研究管束中的流-固耦合问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,实现计算结构动力学(CSD)与计算流体力学(CFD)之间的联合仿真,建立三维流体诱发弹性管束振动的数值模型。用本模型对单管振动响应进行数值模拟,并与已有实验数据比较证明了模型的合理性后,对三维弹性管的流-固耦合振动进行数值模拟分析。研究结果表明,发生锁定时单管的运动轨迹为"8"字型;两并列管的升力与横向变形幅值相等、相位相反,流体力、振幅随着间距的增加而减小,当间距大于1.5D后,两管间的相互影响基本消失,响应接近单管;两串列管中下游管的升力与振幅随节径比的增大而增大,当间距大于2D后,上游管几乎不受下游管的影响,流体力与振幅接近单管。     

双弹性管流固耦合振动的数值模拟

为研究反应堆结构中诸如燃料棒、蒸汽发生器和其他换热器等管束类结构的流固耦合振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,建立了三维流体诱发弹性管束振动的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的双向耦合。得到横流作用下单管的振动响应,并与已有的实验数据比较,证明了本文模型的合理性;对横流作用下的两串列管、两并列管的流固耦合振动进行了数值模拟,着重研究了节径比为1.2、1.6、2、3、4的两弹性管在不同流速作用下的动力学响应及流场特性;得到串列管、并列管的临界间距与临界流速。     

窄流道中柔性单板流固耦合数值模拟

板状燃料组件在先进核反应堆中得到了广泛应用。流体以一定流速轴向掠过平行板组件可能导致板的流致振动（FIV）,而板的振动又会影响流场的重新分布,两者之间构成强烈的流固耦合（FSI）关系。针对板状燃料组件的FIV现象开发了计算程序。程序基于物理组成贴体坐标系（PCBFC）,结合任意拉格朗日欧拉坐标法（ALE）实现网格的移动。本工作详细模拟了在窄通道中移动边界条件下流场的分布;数值求解板在流体压力下的梁式振动方程,从而实现窄流道中柔性单板流固耦合的数值模拟。     

基于OpenFOAM的管束流固耦合模拟与数据驱动建模

为实现开源工具OpenFOAM在管束流固耦合行为预测方面的应用,针对OpenFOAM缺乏大涡模拟验证的综合基准案例、缺乏基于OpenFOAM仿真数据的参数辨识方法和数据驱动建模方法问题,首先通过研究基准问题来定量比较OpenFOAM中大涡模拟的性能,重点讨论统计时间长度、计算域大小与形状、网格划分方式、壁面函数对结果的影响规律,并将数值结果与实验数据进行验证,获得了合理的流场分析模型;然后,将运动方程与流场计算相耦合,求解具有移动边界的非定常Navier-Stokes(uRANS)方程,实现管束的流固耦合仿真,成功捕捉到了管束的流固耦合特征,并以流管模型为例,实现了关键参数辨识和数据驱动建模。结果表明,大涡模拟中,达到统计收敛至少需180个漩涡脱落周期;升力、回流长度对网格分辨率较为敏感,漩涡脱落频率、圆柱表面压力对计算域较为敏感;对于尾流区的统计量分布,网格分辨率的影响更为显著;计算域形状的影响可以忽略;通过数据驱动建模方式计算的临界流速与实验值吻合较好。     

管束间多维两相瞬态流动数值模拟

提出一种用于管束间多维两相瞬态流动问题的两流体计算模型及方法。通过引入多孔介质和分布阻力的概念建立拟连续介质的两流体N-S方程,并在多维交错网格上采用全隐格式离散方程,应用强隐式算法(SIP)求解代数方程组。为验证该算法,对釜式再沸器实验进行数值模拟,计算结果与实验值符合较好,表明该算法在数值上可以克服两相不稳定性,适用于模拟管束间多维两相瞬态流动。     

非稳态流体力作用下两相流管束流弹失稳研究

流弹失稳会引起传热管振幅过大而发生磨损破坏,是两相流作用下蒸汽发生器管束流致振动的重要机理。为了较为准确地预测两相流作用下圆柱管的失稳临界流速,对试验测量的两相流非稳态流体力进行参数拟合,建立了气-水两相流作用下单管的动力学模型。通过无量纲化,运用Galerkin方法对方程变量进行离散后,联立求解方程得到了不同空泡份额的临界流速。数值结果表明,数值解与试验测得失稳临界流速较为吻合,验证了该模型可用于两相流传热管临界流速的预测。      

单相流体横向作用下传热管束间耦合振动数值模拟研究

换热管束作为蒸汽发生器的重要组成部分,其可靠程度直接影响到核电厂反应堆的安全运行。借鉴相关领域的研究提出并发展了一种具有较高精度的计算流体动力学（CFD）/计算结构动力学（CSD）耦合计算方法,对相邻管束间耦合振动现象开展了数值模拟研究。在时域和频域内分析了管阵的涡结构及相邻管束间振动响应规律。研究结果表明:漩涡在管束的上游产生、脱落并向下游逐渐发展,管束间大量的脱落涡的相互作用极大地丰富了流场中的涡脱频率;管束振动受管束固有频率和涡脱频率的共同影响;周围相邻管束的振动会对管束流体力波动及频率主导性产生显著影响,在一定程度上削弱升力波动;当相邻振动管束在同一排时,对管束的振动位移影响较为显著。      

影响管阵流体弹性不稳定性因素的研究

研究了管阵中管数,纵向流的作用以及U形管等对管阵流体弹性不稳定性的影响。介绍了用求解模态展开后的振动方程计算管阵的临界流速的方法。给出了简化处理耦合问题的单一振型法和频率截断法。并推导出考虑非均勻流、纵向流存在和U形管的基本方程。     

核承压热交换器两相流流致振动现象研究

为保障核承压热交换器的安全运行,采用数值模拟以及软件计算相结合的方法,对核承压热交换器两相流流致振动现象及减振措施进行了探究。研究结果表明:基于流致振动发生机理,热交换器横流速度、固有频率、卡门旋涡脱落频率以及紊流抖振频率为重点分析因素;由公式得出流量、换热管直径、换热管壁厚、管束排列等对流致振动有直接影响,无支撑跨距是影响管束流致振动较大因素;最易发生流致振动的部位包括入口区域、出口区域、折流板缺口区域以及无支撑跨距大管束;设计中,应在流量、换热管直径、壁厚、无支撑跨距、管束排列及入口防冲挡板设置等方面优化,以减小流致振动危害。     

两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳研究

为了较为准确的预测两相流作用下圆柱管的失稳临界流速，采用试验测量的两相流准稳态流体力系数，对单向流的准稳态模型进行扩展，建立了气-水两相流作用下的旋转三角形管束中间悬臂自由管的动力学模型，运用Galerkin方法对方程变量进行离散后，求解特征方程得到了不同空泡份额的临界流速，并运用龙格-库塔法求解动力学方程得到位移时程响应。数值结果表明，临界流速随着空泡份额的增大而增大，且所建模型计算结果与试验测量值较为吻合。因此，本研究所建模型可用于两相横流作用下的旋转三角形管束流弹失稳临界流速预测。      

主泵高压冷却器盘管的流致振动分析

为验证反应堆冷却剂泵（简称主泵）用高压冷却器结构设计在正常运行工况下可避免流致振动的发生,本研究依次从漩涡脱落、流体弹性不稳定和湍流激励3个方面分析了高压冷却器的壳侧流体对中间盘管振动产生的影响。采用预应力模态分析得到了螺旋管的固有频率为1.877 Hz,便于后续评定的对比;针对最大流通面积和最小流通面积2种极限情况分别计算了漩涡脱落频率,得到固有频率与漩涡脱落频率的比值均小于2;应用卡曼涡流频率计算得出螺旋管的流弹不稳定临界流速大于壳侧间隙流速,说明壳侧流体的流速未达到螺旋管的流弹不稳定临界流速;选用合适的螺旋管束半经验模型计算得到湍流激振的中心主频率是螺旋管固有频率的3.76倍。漩涡脱落、流体弹性不稳定和湍流激励的计算分析结果充分证明高压冷却器的结构设计是安全合理的,可满足核电厂的使用要求。      

管束流致振动分析的有限元方法

对流体中管束的振动问题提出一种新的分析方法，它克服了Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法在解决具有复杂边界条件的管束的流致振动时遇到的困难及有限元方法在计算流体弹性力时对有限元网格划分要求过于严格的不足。本方法与通用的结构分析有限元和谐结合，能解决工程中复杂的流致振动问题。     

基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究

针对现有流弹失稳模拟研究中的流固耦合模型存在计算精度较低、计算成本巨大的问题,建立了一种可以预测管束临界流速的二维单向流固耦合模型,该模型基于商用ANSYS Fluent软件,通过SST k-ω湍流模型进行流场计算,再由自编译的用户自定义函数（UDF）提取管子所受的流体力,并利用4阶Runge-Kutta法求解结构动力学方程实现单向流固耦合计算。利用该模型对节径比为1.5的转角三角形排布管束进行了流固耦合计算,得到了中心管的临界流速、振幅时程曲线及振幅频谱图,并通过水洞实验进行了验证。结果表明,本模型以较低的计算成本准确地预测了临界流速,同时也获取了管子真实的振动特征,模拟计算的中心管振幅时程曲线及振幅频谱均与实验相近。此外,模拟计算获取的阻力和升力系数数据表明,随着流速增大,阻力和升力系数时程曲线经历了从紊乱到规律的变化,换算流速达到2.44时,阻力和升力系数主频包含管子在静水中固有频率的成分。      

六边形组件流致振动响应数值分析

工程堆用六边形组件受到冷却剂的作用会发生流致振动,采用数值分析方法对六边形组件的振动特性和流致振动响应进行分析研究,通过数值仿真计算了六边形组件在空气中和静水中的一阶固有频率及相应振型,并结合试验结果运用流致振动响应计算方法研究了流体力作用下结构的动力响应,获得了响应的最大应变值。计算结果和试验结果精度在同量级,验证了本文数值分析方法在六边形组件流致振动响应研究的可行性。     

输流管网流致振动特性数值模拟研究

为研究管路系统流质振动特性以优化管路设计,本文以典型输液管网系统为对象,基于Ansys Workbench平台开展了不同流体激励下的管路双向流固耦合模拟计算,获得了管路结构流致振动特性,分析讨论了激励类型、介质温度、流场结构及结构固有频率对管内流致振动特性的影响。结果表明,脉动流量激励下的管路结构振幅显著大于恒定流量激励下的结构振幅,当流体激励频率较接近管路结构固有频率时,结构和流体将趋于共振,导致结构振动加剧。通过在管道适当位置施加约束支撑,使结构固有频率远离流体激励频率,可有效减小管道的振动。此外,介质温度和流速对结构振幅有较大影响。      

非线性振动下水平通道内气液两相流动研究

在地震等行为产生的非线性振动下,两相流体会影响回路传热并对装置结构进行冲击,因此对气液界面行为的把握对核安全具有十分重要的意义。本文通过将振动装置与两相流实验回路相结合的方法,对非线性振动下水平通道内气液两相流问题进行了实验研究。基于FLUENT平台,结合动网格模型及UDF编程手段建立了数学模型,并对数学模型进行验证。研究结果表明：模拟结果与实验结果具有很好的一致性;振动工况下气液两相流动形式不同于稳态工况,会出现更复杂的气液界面,主要流型有泡状流、弹状流、搅拌流、波状流及环状流;瞬时摩擦压降的波动幅度随振动幅度和频率的增大而增大,且与振动幅度相比,振动频率对其影响更大。     

非线性振动下水平通道内气液两相流动研究

在地震等行为产生的非线性振动下,两相流体会影响回路传热并对装置结构进行冲击,因此对气液界面行为的把握对核安全具有十分重要的意义。本文通过将振动装置与两相流实验回路相结合的方法,对非线性振动下水平通道内气液两相流问题进行了实验研究。基于FLUENT平台,结合动网格模型及UDF编程手段建立了数学模型,并对数学模型进行验证。研究结果表明:模拟结果与实验结果具有很好的一致性;振动工况下气液两相流动形式不同于稳态工况,会出现更复杂的气液界面,主要流型有泡状流、弹状流、搅拌流、波状流及环状流;瞬时摩擦压降的波动幅度随振动幅度和频率的增大而增大,且与振动幅度相比,振动频率对其影响更大。