一种换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法技术

本发明专利技术公开了一种换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法，包括以下步骤：获得换热器一次侧及二次侧流体沿传热管分布的流场参数，基于流场参数和传热管的结构参数判断流场参数属哪一范围，若流场参数属于第一预设范围，则利用流体力系数数据库获得具体流场参数下的流体力系数；若流场参数属于第二预设范围，则利用公式（1）～（4）计算换热器传热管的振动响应；若流场参数属于所述第三预设范围，则利用公式（1）、（2）、（5）、（6）计算换热器传热管的振动响应。本发明专利技术的有益效果是：既可以考虑传热管内流体的流动，也可以考虑传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用，便捷、高效地实现了传热管的漩涡脱落诱发振动计算。

【技术实现步骤摘要】
一种换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法
本专利技术涉及反应堆结构力学领域，具体地，涉及一种换热器传热管、燃料组件燃料棒等管状结构的漩涡脱落诱发振动的分析方法。
技术介绍
在反应堆结构中，常见的流致振动包括不稳定流造成的漩涡脱落引起的振动，以及流体激励诱发的相互作用引起的振动，这种振动总是伴随着反应堆的运行而存在，经常发生在一回路的管道、蒸汽发生器传热管、燃料棒、泵和阀门等，以及二回路相应的管道系统。换热器中传热管的漩涡脱落是指：当流体流经传热管后，由于自由剪切层的不稳定，传热管的下游将出现漩涡脱落。漩涡脱落会产生两个交变力：平行于来流方向的阻力以及垂直于来流方向的升力，传热管在这两个交变力的作用下发生的振动称为漩涡脱落诱发振动，是流体诱发振动的一种重要形式。漩涡脱落会引起结构的振动及噪声，甚至导致失效；同时,漩涡脱落也是导致其他形式的振动发生的重要原因。漩涡脱落诱发的振动对于承受流体流动的结构是有害的，根据国内外核电站中对蒸汽发生器部件失效的多例事故的统计分析可知，传热管的流致振动和与其相关的冲击磨损、微动接触疲劳加上介质腐蚀使得管壁逐渐变薄，是导致传热管承压能力降低而破裂的主要原因。因此，为确保结构在使用寿期内的完整性，应将漩涡脱落诱发的振动控制在容许的水平内。但由于漩涡脱落诱发振动问题的复杂性，直到如今仍然没有从根本上解决与其相关的结构失效问题。目前对漩涡脱落诱发振动的研究方法主要有两种：一是采用计算流体动力学和计算结构动力学的双向流固耦合方法，该方法通过对流场的求解，得到传热管的位移及力函数，对漩涡脱落诱发的振动现象进行分析，但目前这一问题尚未得到严格的数学解；另一种是基于试验研究的半经验理论模型法，该方法通常基于随机振动理论和实验确定的流体力系数计算振动响应的均方根值，并根据实验得到的经验参数，以判断传热管是否会发生漩涡脱落频率和受激系统频率之间的共振。综上所述，本申请专利技术人在实现本申请实施例中专利技术技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，难以用于实际工程问题的漩涡脱落诱发振动分析和设计改进；而目前的半经验理论模型不能考虑漩涡脱落与传热管振动之间的实时交互作用，同时无法考虑传热管内流体流动的影响，更无法体现传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种既可以考虑传热管内流体的流动，也可以考虑传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用的换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：一种换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法，可用于核蒸汽发生器等换热器的流致振动分析，包括以下步骤：S1、利用热工水力系统分析软件对换热器的一次侧及二次侧流场进行计算，获得所述一次侧及二次侧流体沿传热管分布的流场参数，该流场参数包括：传热管内流体与传热管外流体的密度和流速；本专利技术利用热工水力系统分析的专业软件或商业软件进行分析，对换热器的一次侧及二次侧的流场进行计算，将其计算结果作为输入来使用；S2、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第一预设范围；S3、若所述流场参数属于所述第一预设范围，则利用流体力系数数据库通过插值获得具体流场参数下的流体力系数；所述的流体力系数数据库为：表中：U为横向流速，为脉动阻力系数，为脉动升力系数，为稳态阻力系数，St为Strouhal频率；S4、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第二预设范围，若所述流场参数属于所述第二预设范围，则利用公式（1）～公式（4）计算换热器传热管的漩涡脱落诱发振动响应；S5、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第三预设范围，若所述流场参数属于所述第三预设范围，则利用公式（1）、公式（2）、公式（5）、公式（6）计算换热器传热管的漩涡脱落诱发振动响应；其中，公式（1）～公式（6）分别指：公式（1）：；公式（2）：；公式（3）：；公式（4）：；公式（5）：；公式（6）：；式中，，，，；σx=0.3×4、σy=0.3、Qx=12×4、Qy=12，=0.4，=0.4；，，利用所述流体力系数数据库通过插值得到；EI为传热管的弯曲刚度，Ap为传热管的横截面积，D为传热管的外径，L为传热管的长度，c为结构阻尼，ρ为流体密度，mf和ms为单位长度的传热管内流体的质量和单位长度的传热管的质量；u和w为传热管的流向振动位移和横向振动位移，ωL和ωD为升力方向的漩涡脱落频率和阻力方向的漩涡脱落频率，其中，ωD=2ωL，ωL=2πUSt/D，ωL=2πUSt/D，St利用所述流体力系数数据库通过插值得到，U为横向流速，V为传热管内流体的速度；x为传热管的流向振动方向，y为传热管的横向振动方向，z为传热管初始横向挠度为零时的轴向中心线，t为时间。上述方法解决了现有换热器漩涡脱落诱发振动分析方法无法考虑传热管内流体的流动、无法考虑传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用的技术问题，得到了传热管-内外流体耦合系统的计算模型，为换热器传热管的漩涡脱落诱发振动计算提供了一种更为准确的通用方法，为管束类设备的漩涡脱落诱发振动分析、设计改进和安全评价提供了一种分析方法，其既可以考虑传热管内流体的流动，也可以考虑传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用，便捷、高效地实现了换热器传热管的漩涡脱落诱发振动计算。进一步的，所述第一预设范围具体为：横向流速U位于0~10m/s之间；所述第二预设范围具体为：无量纲横向流速Ur小于无量纲临界折合速度Urc；所述第三预设范围具体为：无量纲横向流速Ur大于无量纲临界折合速度Urc；所述Ur=U/fnD，fn为传热管的固有频率，D为传热管外径；所述Urc=1/St，St利用所述流体力系数数据库通过插值得到。进一步的，所述结构参数具体为：所述传热管的几何尺寸、材料特性、支撑形式以及各阶振型与频率。进一步的，所述传热管的各阶振型与频率能够通过GB151和TEMA相关标准规范中给出的计算方法进行计算获得，或者通过商用有限元软件计算得到。综上，本专利技术的有益效果是：1、解决了现有换热器漩涡脱落诱发振动分析方法无法考虑传热管内流体的流动、无法考虑传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用的技术问题，得到了传热管-内外流体耦合系统的计算模型，为换热器传热管的漩涡脱落诱发振动计算提供一种更为准确的通用方法，为管束类设备的漩涡脱落诱发振动分析、设计改进和安全评价提供了一种分析方法，既可以考虑传热管内流体的流动，也可以考虑传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用，便捷、高效地实现了换热器传热管的漩涡脱落诱发振动计算。2、利用本专利技术提供的用于传热管漩涡脱落诱发振动计算的流体力系数数据库，可以高效、便捷地通过插值获得具体流场参数下的流体力系数。3、本专利技术既可用于有管内流体流动时传热管的漩涡脱落诱发振动计算，也可用于不考虑管内流体流动时传热管的漩涡脱落诱发振动计算。4、本专利技术可方便地考虑漩涡脱落过程与传热管内流体-传热管外流体-传热管振动的耦合作用，同时可进一步进行屈曲分析及失稳行为分析，并可预测任意一阶模态锁定时的振动响应。5、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用热工水力系统分析软件对换热器的一次侧及二次侧流场进行计算，获得所述一次侧及二次侧流体沿传热管分布的流场参数，该流场参数包括：传热管内流体与传热管外流体的密度和流速；S2、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第一预设范围；S3、若所述流场参数属于所述第一预设范围，则利用流体力系数数据库通过插值获得具体流场参数下的流体力系数，所述的流体力系数数据库为：表中：U为横向流速，为脉动阻力系数，为脉动升力系数，为稳态阻力系数，St为Strouhal频率；S4、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第二预设范围，若所述流场参数属于所述第二预设范围，则利用公式1～公式4计算换热器传热管的漩涡脱落诱发振动响应；S5、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第三预设范围，若所述流场参数属于所述第三预设范围，则利用公式1、公式2、公式5、公式6计算换热器传热管的漩涡脱落诱发振动响应；其中，公式1～公式6分别指：公式1：；公式2：；公式3：；公式4：；公式5：；公式6：；式中，，，，；σx=0.3×4、σy=0.3、Qx=12×4、Qy=12，，；，，利用所述流体力系数数据库通过插值得到；EI为传热管的弯曲刚度，Ap为传热管的横截面积，D为传热管的外径，L为传热管的长度，c为结构阻尼，ρ为流体密度，mf和ms为单位长度的传热管内流体的质量和单位长度的传热管的质量；u和w为传热管的流向振动位移和横向振动位移，ωL和ωD为升力方向的漩涡脱落频率和阻力方向的漩涡脱落频率，其中，ωD=2ωL，ωL=2πUSt/D，St利用所述流体力系数数据库通过插值得到，U为横向流速，V为传热管内流体的速度；x为传热管的流向振动方向，y为传热管的横向振动方向，z为传热管初始横向挠度为零时的轴向中心线，t为时间。...

【技术特征摘要】
1.一种换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用热工水力系统分析软件对换热器的一次侧及二次侧流场进行计算，获得所述一次侧及二次侧流体沿传热管分布的流场参数，该流场参数包括：传热管内流体与传热管外流体的密度和流速；S2、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第一预设范围；S3、若所述流场参数属于所述第一预设范围，则利用流体力系数数据库通过插值获得具体流场参数下的流体力系数，所述的流体力系数数据库为：表中：U为横向流速，C′d为脉动阻力系数，C′l为脉动升力系数，为稳态阻力系数，St为Strouhal频率；S4、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第二预设范围，若所述流场参数属于所述第二预设范围，则利用公式1～公式4计算换热器传热管的漩涡脱落诱发振动响应；S5、基于所述流场参数和所述传热管的结构参数，判断所述流场参数是否属于第三预设范围，若所述流场参数属于所述第三预设范围，则利用公式1、公式2、公式5、公式6计算换热器传热管的漩涡脱落诱发振动响应；其中，公式1～公式6分别指：公式1：公式2：公式3：公式4：公式5：公式6：式中，qx＝2C′d/C′d0，qy＝2C′l/C′l0；σx＝0.3×4、σy＝0.3、Qx＝12...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯志鹏，姜乃斌，臧峰刚，张毅雄，齐欢欢，黄旋，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川;51