单相流体横向作用下传热管束间耦合振动数值模拟研究

The heat exchange tube bundle is an important part of the steam generator, and its reliability directly affects the safe operation of the nuclear power plant reactor. Based on the research in related fields, a computational fluid dynamics(CFD)/computational structural dynamics(CSD) coupling calculation method with higher accuracy is proposed and developed, and the numerical simulation research is carried out on the coupling vibration phenomenon between adjacent tube bundles. The vortex structure of the tube array and the vibration response law between adjacent tube bundles are analyzed in the time domain and frequency domain. The research results show that the vortex is generated and shed in the upstream of the tube bundle, and then gradually develops downstream. The interaction of a large number of shedding vortices between the tube bundles greatly enriches the vortex frequency in the flow field, and the vibration of the tube bundle is affected by the natural frequency and the vortex frequency of the tube bundle. The vibration of the surrounding adjacent tube bundles will have a significant impact on the fluid force fluctuation and frequency dominance of the tube bundle, and weaken the lift fluctuation to a certain extent, and when the adjacent vibrating tube bundles are in the same row, the impact on the vibration displacement of the tube bundle is more significant.     

分布式圆形管束流致振动数值研究

针对分布式圆形管束在受到横流激励下的振动行为,开展基于计算流体力学（CFD）/计算固体力学（CSD）耦合方法的数值模拟研究。研究中通过求解非定常雷诺平均NS(URANS)方程得到作用在管束上的非定常升阻力,由四阶龙格-库塔格式离散求解管束振动方程,采用基于弹簧光顺的网格更新策略保证管束振动过程中流场网格的正交性,通过单独管的绕流实验与计算结果验证数值方法的可靠性。通过以上方法对中心管的运动轨迹、所受流体力及振动时频域特性进行了详细分析。结果表明,流体激励下,中心管在垂向和横向的振动频率与其受到的流体激励频率一致,表现出典型的强迫振动行为。     

ZH-65型蒸汽发生器传热管束流致振动试验研究

设计了ZH-65型蒸汽发生器传热管束的试验模型,在空气-水两相流回路上对ZH-65型蒸汽发生器传热管束迚行流致振动研究。测量了U形管在空泡仹额为0%～90%、缝隙流速为0.5～3.43 m/s时的应变和加速度响应。从弯曲半径的大小、面内与面外、弯管段与直管段等方面对传热管束迚行评价。研究表明,弯曲半径越大,弯管段的加速度越大;弯管段根部应变与弯曲半径成反比;传热管的频率与弯曲半径成反比;弯管段的面内加速度比面外的小;弯管段的加速度比直管段的大。     

螺旋式传热管束流致振动试验研究

对某溶液堆堆芯内呈纵向螺旋状盘绕的传热管束进行了流致振动试验研究,包括结构在空气中和静水中振动特性的计算和试验以及稳态和瞬态运行工况下的流致振动试验.试验结果表明,传热管束入、出口之间的压力差随流速的增加而增加,且上部固定连接端是相对薄弱的部位.在稳态运行时不会发生动力失稳,振动位移不会造成管束各管段之间发生接触碰撞,疲劳分析表明满足规范要求.瞬态响应最大振动位移和应变均比稳态运行时高两个数量级以上.     

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。     

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。      

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。     

高温气冷堆传热管束驰振现象的数值研究

驰振是一种气动不稳定现象,可能导致结构发生剧烈振动而失效。高温气冷堆蒸汽发生器内传热管束处于高速氦气的环境中,其截面为带圆角的方形。为研究这种特殊截面管束的驰振问题,基于准稳态模型推导获得的稳定性判据,采用CFD方法建立二维数值模型,获得不同攻角下的静态流体力数据,并利用此数据研究结构的驰振稳定性。结果表明,圆角结构对结构的驰振稳定性影响较大,能显著减小流体阻力系数,进而降低了结构发生驰振的临界流速;同时,较大的圆角半径会缩小结构可能发生驰振失稳的攻角范围。本文研究为高温气冷堆传热管束的设计提供依据。     

两相流作用下管束流致振动的3个关键力学问题

换热装置中的管束在流体力作用下会产生流致振动,过度的流致振动会导致换热器部件的损坏。尤其是核蒸汽发生器的U型弯管段处于两相流作用下,由于两相流和管束结构的复杂性以及两相流与复杂管束的强耦合作用,在研究两相流作用下的管束流致振动问题时,存在以下3个关键力学问题及难点:两相流力学模型的建立;流致振动关键动力学参数的获取;两相流流致振动机理的研究。将针对以上3点问题对管束两相流流致振动的研究进展进行综述和讨论,并提出待解决的问题。     

Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer of Supercritical Fluids in Fuel Bundles

A supercritical water-cooled reactor (SCWR) was proposed as a kind of generation IV reactor in order to improve the efficiency of nuclear reactors. Although investigations on the thermal-hydraulic behavior in SCWR have attracted much attention, there is still a lack of CFD study on the heat transfer of supercritical water in fuel channels. In order to understand the thermal-hydraulic behavior of supercritical fluids in nuclear reactors, the local fluid flow and heat transfer of supercritical water in a 37-element fuel bundle has been studied numerically in this work. Results show that secondary flow appears and the cladding surface temperature (CST) is very nonuniform in the fuel bundle. The maximum cladding surface temperature (MaxCST), which is an important design parameter for SCWR, can be predicted and analyzed using the CFD method. Due to a very large circumferential temperature gradient in cladding surfaces of the fuel bundle, the precise cladding temperature distributions using the CFD method is highly recommended.     

流量波动条件下圆管内流动换热特性数值研究

对流量波动条件下核动力装置系统圆管内流体的流动换热特性进行了数值研究,重点研究了波动周期、波动振幅两个因素对流动换热特性的影响。结果表明:流量波动时,通道内的摩阻系数和壁面换热系数均随时间周期性波动,且波动周期与流量波动周期相同;波动周期增加,摩阻系数波动幅值减小,壁面换热系数波动振幅变化不明显;相对振幅增加,摩阻系数波动幅值增大,壁面换热系数波动振幅增大。     

海洋条件下竖直圆管内单相传热特性实验研究

进行了海洋条件下圆管内的强迫循环传热实验,通过测量竖直圆管周向的温度分布,从而得到海洋条件下不同位置的传热系数.实验结果表明:倾斜时,靠近上侧管壁附近的传热减弱,而靠近下方的管壁处传热增强;摇摆时,垂直于摇摆轴方向的管壁处传热会发生周期性振荡.采用计算流体力学(CFD)方法对海洋条件下单相传热问题进行了数值模拟,计算结...     

传热管流体诱导振动特性的数值研究

本文利用有限体积法离散非稳态湍流黏性、不可压缩的N-S方程及LES湍流模型,用有限元方法离散传热管结构,结合动网格控制技术,实现了流体 结构两个物理场之间的交互作用。基于数值模型,通过响应分支、相位角、Lissajou图、运动轨迹、相图以及Poincare截面映射,分析了传热管在不同响应阶段的运动行为和响应特性,以及升力系数与横向位移的极限环与分叉等非线性特性。研究结果表明：传热管的流体诱导振动系统存在一个拟上端分支;在均匀湍流流动作用下,三维弹性管的升力与横向位移并未出现周期解的分叉。     

流量正弦脉动下圆管内单相换热的实验研究

在中低压两相强迫循环实验回路中,并入一个自主设计制造的流量脉动发生器,通过在平均主流量上叠加不同幅值及频率的正弦脉动,模拟动态流动不稳定性下的流量周期波动。对0.4MPa及1.37MPa下不同脉动幅值的脉动波形及不同频率脉动的转换进行了分析对比,发现实验段外壁温及出口流体温度随流量的脉动做同频脉动,出口流体温度脉动滞后壁温脉动约1/4周期。     

7棒束紧密栅元流体流动传热数值研究

紧密栅元内的流体流动传热研究对高转化比反应堆燃料组件的优化有十分重要的意义。本文采用CFD方法对7棒束紧密栅元棒束通道内流体流动传热现象进行了数值模拟,并与7棒束紧密栅元内氟利昂流体传热的实验结果进行对比分析,详细分析了定位格架对棒束内流体传热流动的影响。结果表明：数值计算所得的非加热棒的壁面温度和实验吻合良好,定位格架的存在对其下游流体流动、棒束最高温度分布及交混系数有明显的影响,棒束某些位置因流动滞止导致温度大幅上升,在设计中应加以注意。     

Numerical Solution Method for Prediction of Heat Transfer in Tube Bundles of Large-Size Intermediate Heat Exchangers in FBR Plants

A study was made of uranium contamination in (a) the coating layers of TRISO particles (a-1) before compacting and (a-2) separated from once-compacted fuel heat-treated at 1,400 or 1,800°C, and (b) in the matrix material of the same compacts. The contamination in the pyrocarbon layers of the coating was determined, after mechanically separating the coating layers, by a procedure of neutron activation, burn-off and ¹³³Xe trapping. For the silicon carbide coating layer, the fragments of coating left from the above procedure were fused into alkaline melt, and the ¹³³Xe released at each heating step was trapped. For the matrix material, the fuel compacts were deconsolidated electrolytically or mechanically, followed by activation analysis. The results of the foregoing measurements proved the uranium contamination in pyrocarbon and silicon carbide coating to be at most of the order of 10^?4 in reference to uranium content in kernel, while the corresponding value for particles sampled from fuel compacts heat-treated at 1,800°C were appreciably higher. The corresponding values found for the matrix material were of the order of 10^?5.     

液态金属棒束传热的理论分析

液态金属棒束传热研究在快堆中有重要的应用价值。采用六边形的传热单元,等边三角形布置的棒束传热问题可转化成同心环管的传热问题。引入水力直径修正及温差、热混合两项温度修正后,得到了全新的三角形布置的棒束顺流传热关系式,对实验数据取得了良好的预测效果。同时发现,温度修正的第2项可作为子通道方法中有效混合长度的计算式。     

液态金属钠在圆管内传热特性数值模拟研究

为研究液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的湍流传热特性,在已有实验研究的基础上,提出了k-ε模型下的湍流普朗特数Pr_t模型,并使用Fluent程序对圆管内的液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性进行了计算。理论设计值与已有实验结果进行对比,二者符合较好。根据本文提出的Pr_t模型,可较为精确地计算液态金属钠在不锈钢材料表面流动时的传热特性。