一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统，涉及核动力装置结构力学领域，其技术方案要点是：根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。本发明专利技术降低理论模型在实际应用时对于试验数据的过度依赖，同时避免复杂管束流固耦合模拟对海量计算资源的需求，提高分析设计的精度和研发效率，缓解模型的复杂性和易分析、易设计性之间的矛盾。的矛盾。的矛盾。

【技术实现步骤摘要】
一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统


[0001]本专利技术涉及核动力装置结构力学领域，更具体地说，它涉及一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统。

技术介绍

[0002]传热管束是蒸汽发生器(SG)的核心部件，容易发生流致振动问题。SG作为核电站核岛内关键设备之一，对核电站的安全性和经济性至关重要，压水堆核电站通常采用立式自然循环式蒸汽发生器，直立式倒U形传热管束是其核心部件，是隔离放射性冷却剂面积最大且最薄弱的压力边界，由于其数量多、结构弱、管内压力高，极易发生由流体诱发的管束结构振动(流致振动)现象，引起管束的疲劳、碰撞及磨损等问题，据统计，核电站的非计划停堆中约有1/4是由传热管失效导致的。
[0003]流弹失稳是最具破坏性的流致振动机理，在实际工程中必须避免发生这种现象。当发生流弹失稳时，管子振幅在短时间内急剧增大，导致SG损坏，鉴于此，在任何情况下都必须避免出现这种现象。针对管束结构的流弹失稳，Connors、Paidoussis、Chen、Weaver等学者基于不同的假设，分别提出了准静力模型、准稳态模型、非稳态模型和流管模型，其中，前三种模型称为半经验模型，后一种模型称为半解析模型。长期以来，半经验模型中的众多参数需要由试验确定，大量的试验参数使得这些半经验理论模型在实际应用时受到很大限制。半解析模型中的关键参数如面积扰动、速度扰动、压力扰动、相位滞后、分离角和附着角等均是基于定性的流动可视化研究和假定，缺乏能定量刻画和表征的通用模型。
[0004]在没有经验数据的情况下详细描述流动的最佳途经是采用CFD(计算流体力学)，现有大量工作主要针对各种排列形式的圆管(管束)，采用二维或三维流场中耦合管运动的方法来研究流动现象、临界流速等，但考虑到真实管束结构及其众多可能的排列形状，使得仿真计算量大，目前这种方法仅限于非常简单几何结构的数值模拟。此外，现有理论模型严重依赖于试验参数，制约了其工程应用与推广；流体惯性系数、流体阻尼系数、流体刚度系数等与结构运动相关的流体力相关系数无法得到理论解；半解析模型中的相位滞后、流管边界等关键参数均是基于定性的流动可视化和假定，缺乏合适的定量表征方法；目前还没有一个全面、通用、可靠的数值研究来预测这些理论模型中的全套流体力相关参数。
[0005]因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统是我们目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统，通过仿真数据驱动的方式计算管束流弹失稳理论模型中众多参数的辨识方法，降低理论模型在实际应用时对于试验数据的过度依赖，同时避免复杂管束流固耦合模拟对海量计算资源的需求，提高分析设计的精度和研发效率，缓解模型的复杂性和易分析、易设计性之间的矛盾，为管束类设备的流弹失稳预测提供一种更为准确和实用的通
用分析方法。
[0007]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0008]第一方面，提供了一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，包括以下步骤：
[0009]根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；
[0010]依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；
[0011]其中，预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。
[0012]进一步的，若管束流弹失稳预测属于第一预设范围，则：建立目标管在不同偏移量下的管束流场分析模型；利用CFD数值模拟计算获得目标管的流体力系数，绘制流体力系数的各种统计值与目标管偏移量的函数曲线，并通过曲线拟合计算出空间导数；计算流体力，并通过迭代求解得到临界流速；
[0013]若管束流弹失稳预测属于第二预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟获得目标管的升力系数与阻力系数，并进行快速傅里叶变换获取流体力的幅值和相位；计算流体力相关系数和流体力；将流体力与管子振动方程联立，组装形成系统的矩阵方程，求解矩阵方程的特征值后计算临界流速；
[0014]若管束流弹失稳预测属于第三预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟，以固定采样频率采集不同流速下的瞬时流场；利用流场数据和图像处理技术提取流管边界，在识别出的流管内布置监测点以获取速度脉动绘制相位滞后与流速、曲线坐标的函数曲线，通过曲线拟合建立相位滞后的数学模型；依据相位滞后函数计算流体力，通过迭代求解计算出临界流速。
[0015]进一步的，所述建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型的过程具体为：
[0016]改变目标管的位置，使得在横向、流向的空间上具有一系列的偏移量，分别建立CFD网格模型；
[0017]将CFD网格模型导入CFD分析软件，设置湍流模型、流体物性、边界条件后得到流场分析模型，开展计算，采集目标管的升力系数和阻力系数。
[0018]进一步的，所述建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型的过程具体为：
[0019]根据管束的结构特征建立CFD网格模型；
[0020]将CFD网格模型导入CFD分析软件，设置湍流模型、流体物性、边界条件后得到流场分析模型；
[0021]将目标管的运动方程与CFD流场求解耦合后得到流致振动分析模型。
[0022]进一步的，所述结构特征包括几何尺寸、管束排列形式、管束节径比和固有频率。
[0023]进一步的，所述流管边界提取的具体过程为：
[0024]使目标管按特定的振动频率作强迫振动，并对流域进行瞬态分析，提取1个周期内的速度场云图；
[0025]将输入图像进行二值化处理，以平均流速的10％作为阈值，将低于阈值的部分数据剔除；
[0026]根据图像的像素尺度和真实管束几何尺寸，将像素转化为实际长度，获得流道边界和面积。
[0027]进一步的，所述相位滞后通过互相关函数法计算得到。
[0028]第二方面，提供了一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识系统，包括：
[0029]模型判断模块，用于根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；
[0030]模拟分析模块，用于依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；
[0031]其中，预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。
[0032]第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法。
[0033]第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，包括以下步骤：根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；其中，预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。2.根据权利要求1所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，若管束流弹失稳预测属于第一预设范围，则：建立目标管在不同偏移量下的管束流场分析模型；利用CFD数值模拟计算获得目标管的流体力系数，绘制流体力系数的各种统计值与目标管偏移量的函数曲线，并通过曲线拟合计算出空间导数；计算流体力，并通过迭代求解得到临界流速；若管束流弹失稳预测属于第二预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟获得目标管的升力系数与阻力系数，并进行快速傅里叶变换获取流体力的幅值和相位；计算流体力相关系数和流体力；将流体力与管子振动方程联立，组装形成系统的矩阵方程，求解矩阵方程的特征值后计算临界流速；若管束流弹失稳预测属于第三预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟，以固定采样频率采集不同流速下的瞬时流场；利用流场数据和图像处理技术提取流管边界，在识别出的流管内布置监测点以获取速度脉动绘制相位滞后与流速、曲线坐标的函数曲线，通过曲线拟合建立相位滞后的数学模型；依据相位滞后函数计算流体力，通过迭代求解计算出临界流速。3.根据权利要求2所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，所述建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型的过程具体为：改变目标管的位置，使得在横向、流向的空间上具有一系列的偏移量，分别建立CFD网格模型；将CFD网格模型导入CFD分析软件，设置湍流模型、流体物性、边界条件后得到流场分析模型，开展计算，采集目标管的升力系数和阻力系数。4.根据权利要求2所述的一种用于管...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯志鹏，蔡逢春，臧峰刚，齐欢欢，黄旋，沈平川，李庆，刘帅，陈果，刘建，黄茜，张锐，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：