一种换热器传热管漩涡脱落诱发振动的分析方法与流程

本发明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。

背景技术：

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，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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；

本发明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，S_t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，，，，；σ_x=0.3×4、σ_y=0.3、Q_x=12×4、Q_y=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，A_p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，m_f和m_s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，ω_L和ω_D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，ω_D=2ω_L，ω_L=2πUS_t/D，ω_L=2πUS_t/D，S_t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U_r小于无量纲临界折合速度U_rc；所述第三预设范围具体为：无量纲横向流速U_r大于无量纲临界折合速度U_rc；所述U_r=U/f_nD，f_n为传热管的固有频率，D为传热管外径；所述U_rc=1/S_t，S_t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，本发明的有益效果是：

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、利用本发明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、本发明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、本发明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、所有过程由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算换热器传热管的漩涡脱落诱发振动响应。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是蒸汽发生器传热管模型的节点与分区图；

图3是蒸汽发生器传热管模型的节点约束条件；

图4是传热管在内外流作用下的模型示意图；

图5是本发明提供的流体力系数数据库；

图6是本发明提供的流体力系数数据库；

图7是本发明提供的流体力系数数据库；

图8是本发明提供的流体力系数S_t数据库；

图9是本发明实施例中不考虑管内流体流动时传热管的振幅随横向流速的变化情况；

图10是本发明实施例中考虑管内流体流动时传热管的振幅随横向流速的变化情况；

图11是本发明实施例中的传热管的失稳行为分析。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

传热管一般具有多个折流板和管板支撑，并由管板、流量分配板、支承板、防振条等将其分割为小段，用以保持管子之间的间距，如图2、3所示，其中，图2为节点与分区图，图3为节点约束条件。本实施例取其中的一跨作为研究对象，模型示意图见图4，本申请实施例中用到的模型参数列于表1。

表1 模型参数

如图1所示，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，为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

S10，利用热工水力系统分析软件对传热管所处位置的流场进行计算，获得所述一次侧及二次侧流体沿传热管分布的流场参数。在本实施例中，所述流场参数具体包括：传热管内流体与传热管外流体的密度和流速，列于表1中。本发明所描述的速度范围涵盖了现有换热器传热管真实工况的流速范围，所给出的结果也可以用于任一流速，并不针对某一速度。

在步骤S10之后，本实施例的方法便进入步骤S20，即：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。

在步骤S20之后，本实施例的方法便进入步骤S30，即：利用本发明提供的流体力系数数据库，如图5～图8所示，通过插值获得具体流场参数下的流体力系数，具体的，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，S_t为Strouhal频率；

在步骤S30之后，本实施例的方法便进入步骤S401，即：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。

在步骤S401之后，本实施例的方法便进入步骤S501，即：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。

同时也在步骤S30之后，本实施例的方法便进入步骤S402，即：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。

在步骤S402之后，本实施例的方法便进入步骤S502，即：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。

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，，，，；σ_x=0.3×4、σ_y=0.3、Q_x=12×4、Q_y=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，A_p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，m_f和m_s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，ω_L和ω_D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，ω_D=2ω_L，ω_L=2πUS_t/D，S_t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。

在步骤S501和步骤S502之后，本实施例的方法便进入步骤S60，即：输出振动响应结果并进行相应的评价。

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U_r小于无量纲临界折合速度U_rc；所述第三预设范围具体为：无量纲横向流速U_r大于无量纲临界折合速度U_rc；所述U_r=U/f_nD，f_n为传热管的固有频率，D为传热管的外径；所述U_rc=1/S_t，S_t利用所述流体力系数数据库通过插值得到。

具体针对本实施例来说，通过步骤S30的判断，分别根据本实例流场参数的预设范围，进行S501和S502步骤的计算，完成后进入步骤S60输出计算结果，其中，图9为传热管的最大振幅随横流速度的变化情况，图10为不同管内流体流动速度下的振幅随横流速度的变化情况，图11为传热管失稳行为分析的分叉图。

在本实施例中，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。所述传热管结构参数能够通过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。在实际应用中，商用有限元软件包括：ANSYS、ABAQUS等，数值计算软件包括：MATLAB、FORTRAN、C、MAPLE等

如上所述，可较好的实现本发明。