CN106932161A - 乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于核电能源技术领域的一种乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置及方法。所述测量装置采用单个格架模型和双格架模型，分别研究格架与水池、格架与格架之间的流固耦合效应；该装置水池的底座卡入振动台中部的槽中，并用螺钉固定连接；测量方法是单格架试验与双格架试验共用同一个水池，在两个单格架之间放置一个可移动的隔板在水池侧壁安装视窗，采用激光位移传感器测量格架的位移；在水池侧壁安装压力传感器，测量格架与水池之间的流体作用力，得到测量格架支脚摩擦系数、格架侧壁的流体压力和在地震条件下，格架产生滑移、倾覆时的位移时程曲线。本发明为有限元数值模拟提供试验验证和在地震情况下乏燃料贮存格架的安全性。

Description

乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置及方法

技术领域

本发明属于核电能源技术领域，特别涉及一种乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置及方法。

背景技术

从核电站反应堆卸出的乏燃料具有很强的放射性，需要在乏燃料水池中存放很长的时间，并且随着长时间的贮存，乏燃料水池中会形成大量贮存的现象，因此保证乏燃料贮存格架和水池在任何情况下的安全性是十分必要的。乏燃料贮存格架为抗震I类设备，被设计成自由支撑形式，与地面和池壁均不固定连接，在地震载荷下，必须要保证乏燃料水池和贮存格架的结构完整，不发生任何倾覆、滑移、变形和破损。对格架进行地震载荷下的滑移、倾覆现象的研究时，格架底部与地面之间的摩擦系数是影响格架倾覆和滑移的关键，采用振动台试验法，求出格架底部支脚与地面之间的摩擦系数，再将摩擦系数这个参数附加到格架的有限元分析程序中，进而对格架状态进行评估。由于乏燃料贮存格架与水池壁面之间的间隙较小，在地震载荷的作用下，格架周围流体会产生加速度从而产生附加质量力，此时的流体力会比较大，因此需要考虑流体作用力的效应。

国外对乏燃料贮存格架流固耦合特性研究比较全面，提出了三维乏燃料格架动态流固耦合理论模型。并通过实验以及CFD软件模拟来验证多格架流体耦合模型的正确性，但是其参数的选取还有不确定性。而国内的相关研究比较匮乏，主要是采用有限元模拟，其流固耦合效应采用了水动力质量来考虑，得到的附加质量与附加阻尼等动力学特性参数比较保守，且缺乏实验数据。

发明内容

本发明的目的是提出一种乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置及方法，其特征在于，所述乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置采用单个格架模型和双格架模型，分别研究格架与水池、格架与格架之间的流固耦合效应；该装置水池的底座卡入振动台中部的槽中，并用螺钉固定连接；在水池侧壁安装视窗、激光位移传感器和压力传感器；单格架试验与双格架试验共用同一个水池，即在水池中放置两个结构相同或不同的单格架，两个单格架之间放置一个可移动的隔板。

所述可移动的隔板，在当对单格架进行测量时，移动水箱内的隔板，调整水箱大小；当测量双格架时，将隔板移动至水箱边缘。

所述水箱的尺寸通过隔板微调，保证不同格架类型的间隙与原型相似；并且试验中考虑了乏燃料贮存格架内部燃料组件的作用。

所述乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置的乏燃料贮存格架流固耦合参数测量方法，包括(1)测量格架支脚摩擦系数；(2)格架侧壁的流体压力；(3)在地震条件下，格架产生滑移、倾覆时的位移时程曲线；具体步骤：

在实验中，单格架试验与双格架试验共用同一个水池，即在水池中放置两个结构相同或不同的单格架，两个单格架之间放置一个可移动的隔板；当对单格架进行测量时，移动水箱内的隔板，调整水箱大小，当测量双格架时，将隔板移动至水箱边缘。另外水箱的尺寸通过隔板微调，保证不同格架类型的间隙与原型相似；并考虑了乏燃料贮存格架内部燃料组件的作用；因此根据相似模化准则，通过对原组件的简化，乏燃料组件试验模型与原型质量相似，附加质量相似；测量方法是在水池侧壁安装视窗，采用激光位移传感器测量格架的位移；在水池侧壁安装压力传感器，测量格架与水池之间的流体作用力，测量得到格架上部相对于水池的位移P1；格架底部相对水池的位移P2；水池相对于地面的位移P3；其中，

单格架的试验通过对振动台施加正弦波、地震波，测量格架的响应，从而研究格架与水池的流固耦合作用；

双格架试验通过对振动台施加正弦波、地震波，测量格架的响应，试验研究格架与格架的流固耦合作用；

2)摩擦系数的测量，试验中对格架运动进行测量时，首先要确定格架底部与地面间的摩擦系数，摩擦系数的具体测量为调整水池内的液位高度使得支脚浸没在水中，而格架主体在空气中，这样在振动过程中，格架只受到支脚的摩擦力而产生相对运动，所以合外力即等于摩擦力，根据摩擦力公式

f＝μN＝ma (1)

当格架只发生相对滑动时，N＝mg，得到摩擦系数a＝μg；N代表格架所受支撑力、m代表格架的质量、μ为摩擦系数、g为重力加速度；通过给振动台输入恒定位移、频率的正弦波，逐渐增加振动台的加速度；当加速度较低时，格架与水池无相对滑动，当加速度增大到格架恰好发生相对滑动时，记录此时的加速度，根据上式，可以得到摩擦系数公式

μ＝a/g (2)

3)测量流体作用力，流体作用力由安装在水池侧壁的力传感器测量。力传感器通过视窗固定在水池侧壁上，当水池中注满水，格架在外部激励的作用下发生振动时，水会发生晃动从而对侧壁有力的作用，此时测量到流体作用力。

4)滑移、倾覆现象的研究，建立乏燃料刚体模型，假设格架为刚体，并忽略流体的附加阻尼时，当格架做正弦周期运动时，存在临界滑动加速度a_cs和临界倾覆加速度a_co，表 达式如下。

其中，μ为摩擦系数、b为1/2格架的边长，格架截面为正方形、h为1/2格架的高，m_H 为水的附加质量，2b为格架的长，2h为格架的高；上式(2)、(3)中，临界滑动加速度a_cs，临界 倾覆加速度a_co通过实验测量，μ由步骤3)获取。

本发明有益效果是通过乏燃料贮存格架振动台试验，给出了测量出流体力、支脚摩擦系数等参数的确实可行的试验方案，填补了在乏燃料贮存格架研究方面试验研究的空白，验证了有限元模型的正确性，为核电厂乏燃料贮存格架的抗震设计提供数据支持，保证了计算格架地震响应时流体对结构作用力的准确性，确保核设计的具有合理的裕度。不仅可以用作研究在地震情况下乏燃料贮存格架的安全性，还可以作为日常教学的实验仪器。为测量乏燃料贮存格架与格架、格架与池壁间流固耦合特性，搭建试验台架，通过振动台综合试验研究流固耦合、摩擦等非线性效应的影响。本发明是研究地震载荷下，格架与格架、格架与水池间的流体力；格架在乏池中的运动情况，为有限元数值模拟提供试验验证。通过对乏燃料贮存格架缩比模型进行振动台试验，测量格架运动状态，测量流体力、支脚摩擦系数等参数。试验的结果，可以为有限元数值模拟提供试验验证。

附图说明

图1为格架流固耦合参数振动台测量装置结构示意图。

图2为格架流固耦合参数振动台测量装置的俯视图。

图3为单个格架结构示意图。

图4为格架流固耦合参数振动台测量流程图。

图5为浅水、深水满格架试验结果对比图。

图6为加速度幅值为1.06m/s²时格架试验结果对比图,其中，a,为满水条件下不同测点的相对位移曲线；b为浅水条件下不同测点的相对位移曲线。

图7为格架在加速度幅值为2.96m/s²条件下的位移时程曲线；其中，a图、b图所示的在满水格架的底端和底部有显著的位移，且位移曲线并不重合；在c图、d图所示的浅水情况下，格架发生了明显的滑移。

图8为在流体力的作用下，格架发生滑移试验结果对比图。

具体实施方式

本发明提出一种乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置及方法，下面结合附图和实施例对本发明予以说明。

在图1、图2所示的格架流固耦合参数振动台测量装置结构示意图中，所述乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置采用单个格架模型和双格架模型，分别研究格架与水池、格架与格架之间的流固耦合效应；该装置水池1的底座3卡入振动台4中部的槽5中，并用螺钉6固定连接；在水池侧壁安装视窗2、激光位移传感器P1、P2和压力传感器P3；单格架试验与双格架试验共用同一个水池，即在水池中放置两个结构相同或不同的单格架7，两个单格架之间放置一个可移动的隔板8。

所述可移动的隔板，在当对单格架进行测量时，移动水箱1内的隔板8(如图2、3所示)，调整水箱大小；当测量双格架时，将隔板8移动至水箱边缘。

所述水箱的尺寸通过隔板8微调，保证不同格架类型的间隙与原型相似；并且试验中考虑了乏燃料贮存格架内部燃料组件的作用。

在实验中，单格架试验与双格架试验共用同一个水池，即在水池中放置两个结构相同或不同的单格架，两个单格架之间放置一个可移动的隔板；当对单格架进行测量时，移动水箱内的隔板，调整水箱大小，当测量双格架时，将隔板移动至水箱边缘。另外水箱的尺寸通过隔板微调，保证不同格架类型的间隙与原型相似；并考虑了乏燃料贮存格架内部燃料组件的作用；因此根据相似模化准则，通过对原组件的简化，乏燃料组件试验模型与原型质量相似，附加质量相似；测量方法是在水池侧壁安装视窗，采用激光位移传感器测量格架的位移；在水池侧壁安装压力传感器，测量格架与水池之间的流体作用力，测量得到格架上部相对于水池的位移P1；格架底部相对水池的位移P2；水池相对于地面的位移P3；

所述乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置的乏燃料贮存格架流固耦合参数测量方法，包括(1)测量格架支脚摩擦系数；(2)格架侧壁的流体压力；(3)在地震条件下，格架产生滑移、倾覆时的位移时程曲线；如图4的格架流固耦合参数振动台测量流程图；具体步骤为：

1.首先将乏燃料贮存水池试验模型安装在振动台面上，并且用螺钉将水池底部与振动台面固定连接好。

2.将乏燃料贮存格架水平放在水池内，保持格架与池壁和隔板之间均保持20mm的间距，并且将乏燃料组件放在贮存格架内部；

3.水池注水，并保证水刚刚没过贮存格架支脚：

4.打开振动台控制系统、水冷系统，设置振动参数(如图4所示)；设置振动波形为正弦脉冲波，波数为5，加速度最大值为5m/s²，振动频率2Hz；

5.打开数据采集，设置好采集参数；点击数据采集系统的“在线监测模式”，实时监测实验数据；

6.打开激光位移传感器开关，连接好压力传感器。

7.开始试验，采集后，点击振动台控制系统的“运行”开始试验；设置振动加速度从最大值的10％开始，以5％的大小逐渐增加，直到格架发生明显位移后停止；并记录各个激光位移测点和压力传感器测点的时程曲线；观察每次试验结束采集系统采集到的格架底部位移变化的的数据；

8.逐渐增加振动台输出加速度的幅值，直到格架刚开始滑动为止，记录此时加速度值、位移传感器值、压力值；当观察到格架底部有明显滑移时，停止试验，记录此时振动加速度值；向水池内继续注水到没过格架上部50mm，重复上述方法，记录有水时候格架恰好滑动的加速度、位移传感器值、压力值；

9.改变振动台输出频率，重复步骤8的内容；

10.整理试验数据结果，得到格架滑移、倾覆时的位移时程曲线、格架底部与地面之间的摩擦系数、流体作用力。

图5所示为浅水、深水满格架试验结果对比图。振动频率2Hz,水刚刚没过格架支脚的情况(浅水)，经试验测量到的加速度值为2.25m/s²，根据公式(2)可知摩擦系数为0.225；此外还测量了振动频率2Hz，水整体没过格架50mm的情况(满水),此时测量到的摩擦系数为0.125；振动频率5Hz，浅水，此时测量到的摩擦系数为0.225；振动频率5Hz，满水，此时测量到的摩擦系数为0.125。可以发现：在同一含水量的条件下，在两个不同频率下的摩擦系数相同，说明摩擦系数与输入频率无关,只与格架支脚与地面的接触状态有关；并且可以看出满水时的摩擦系数要小于浅水时的摩擦系数，说明有水时，在流体力的作用下，格架更易发生滑移。整理数据得到折线图如图5所示的试验结果对比图。

图6为浅水、深水满格架试验结果对比图，给出了格架在加速度幅值为1.06m/s²条件下的位移时程曲线，其中，在a图中，P1点为格架上部相对于水池的位移，P2点为格架底部相对水池的位移；在b图中，P3为水池相对于地面的位移。在浅水时的曲线可以看出P1、P2两点位移量基本为0，即格架并没有显著的滑移。P2的峰值产生的原因可能是由于在浅水条件下，水冲击到P2激光位移传感器的视窗，导致激光光路变化，格架并没有显著的位移。但是a图中，在振动开始时，格架底部P2测点发生了位移幅值为1mm的滑动。这有可能是由于加速度时程曲线的不连续造成的，这个时刻的加速度值很可能超过1.06m/s²。而在第一个正弦波过后，P2曲线并没有显著的滑移。说明在加速度为1.06m/s²情况下，格架基本无滑移。

图7给出了格架在加速度幅值为2.96m/s²条件下的位移时程曲线。包括图7中的a图、b图、c图、d图。其中，a图、b图所示的在满水格架的底端和底部有显著的位移，且位移曲线并不重合，说明在流体力和摩擦力的共同作用下格架发生了倾覆和滑移。在c图、d图所示的浅水情况下，格架发生了明显的滑移，顶端和底部的位移曲线基本重合，并没有发生倾覆现象。c、d图所示的格架加速度显然大于临界倾覆加速度和临界滑移加速度。

图8为在流体力的作用下，格架发生滑移试验结果对比图。在下表所示的工况参数下进行测量，

上试验的振动频率为2Hz,水刚刚没过格架支脚的情况(浅水)，此时测量到的加速度值为2.25m/s²，根据公式(2)可知摩擦系数为0.225；此外还测量了振动频率2Hz，水整体没过格架50mm的情况(满水),此时测量到的摩擦系数为0.125；振动频率5Hz，浅水，此时测量到的摩擦系数为0.225；振动频率5Hz，满水，此时测量到的摩擦系数为0.125。可以发现：在同一含水量的条件下，在两个不同频率下的摩擦系数相同，说明摩擦系数与输入频率无关,只与格架支脚与地面的接触状态有关；并且可以看出满水时的摩擦系数要小于浅水时的摩擦系数，说明有水时，在流体力的作用下，格架更易发生滑移。整理数据得到图8所示的折线图。

Claims (4)

1.一种乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置，其特征在于，所述乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置采用单个格架模型和双格架模型，分别研究格架与水池、格架与格架之间的流固耦合效应；该装置水池的底座卡入振动台中部的槽中，并用螺钉固定连接；在水池侧壁安装视窗、激光位移传感器和压力传感器；单格架试验与双格架试验共用同一个水池，即在水池中放置两个结构相同或不同的单格架，两个单格架之间放置一个可移动的隔板。

2.根据权利要求1所述一种乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置，其特征在于，所述可移动的隔板，在当对单格架进行测量时，移动水箱内的隔板，调整水箱大小；当测量双格架时，将隔板移动至水箱边缘。

3.根据权利要求1所述一种乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置，其特征在于，所述水箱的尺寸通过隔板微调，保证不同格架类型的间隙与原型相似；并且试验中考虑了乏燃料贮存格架内部燃料组件的作用。

4.一种权利要求1所述乏燃料贮存格架流固耦合参数振动台测量装置的乏燃料贮存格架流固耦合参数测量方法，其特征在于，包括(1)测量格架支脚摩擦系数；(2)格架侧壁的流体压力；(3)在地震条件下，格架产生滑移、倾覆时的位移时程曲线；具体步骤：

1)在实验中，单格架试验与双格架试验共用同一个水池，即在水池中放置两个结构相同或不同的单格架，两个单格架之间放置一个可移动的隔板；当对单格架进行测量时，移动水箱内的隔板，调整水箱大小，当测量双格架时，将隔板移动至水箱边缘，另外水箱的尺寸通过隔板微调，保证不同格架类型的间隙与原型相似；并考虑了乏燃料贮存格架内部燃料组件的作用；因此根据相似模化准则，通过对原组件的简化，乏燃料组件试验模型与原型质量相似，附加质量相似；测量方法是在水池侧壁安装视窗，采用激光位移传感器测量格架的位移；在水池侧壁安装压力传感器，测量格架与水池之间的流体作用力，测量得到格架上部相对于水池的位移P1；格架底部相对水池的位移P2；水池相对于地面的位移P3；其中，

单格架的试验通过对振动台施加正弦波、地震波，测量格架的响应，从而研究格架与水池的流固耦合作用；

双格架试验通过对振动台施加正弦波、地震波，测量格架的响应，试验研究格架与格架的流固耦合作用；

2)摩擦系数的测量，试验中对格架运动进行测量时，首先要确定格架底部与地面间的摩擦系数，摩擦系数的具体测量为调整水池内的液位高度使得支脚浸没在水中，而格架主体在空气中，这样在振动过程中，格架只受到支脚的摩擦力而产生相对运动，所以合外力即等于摩擦力，根据摩擦力公式

f＝μN＝ma (1)

当格架只发生相对滑动时，N＝mg，得到摩擦系数a＝μg；N代表格架所受支撑力、m代表格架的质量、μ为摩擦系数、g为重力加速度；通过给振动台输入恒定位移、频率的正弦波，逐渐增加振动台的加速度；当加速度较低时，格架与水池无相对滑动，当加速度增大到格架恰好发生相对滑动时，记录此时的加速度，根据上式，可以得到摩擦系数公式

μ＝a/g (2)；

3)测量流体作用力，流体作用力由安装在水池侧壁的力传感器测量，力传感器通过视窗固定在水池侧壁上，当水池中注满水，格架在外部激励的作用下发生振动时，水会发生晃动从而对侧壁有力的作用，此时测量到流体作用力；

4)滑移、倾覆现象的研究，建立乏燃料刚体模型，假设格架为刚体，并忽略流体的附加阻尼时，当格架做正弦周期运动时，存在临界滑动加速度a_cs和临界倾覆加速度a_co，表达式如下：

$a_{cs}=\frac{m}{m_H+m}\mathrm{\μ}g---\left(2\right)$

$a_{co}=\frac{m}{m_H+m}\frac{b}{h}g---\left(3\right)$

其中，μ为摩擦系数、b为1/2格架的边长，格架截面为正方形、h为1/2格架的高，m_H为水的附加质量，2b为格架的边长，2h为格架的高；上式(2)、(3)，临界滑动加速度a_cs，临界倾覆加速度a_co通过实验测量，μ由步骤3)获取。