CN107356406A - 一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置。多个乏燃料贮存格架的侧面布置传感器，将乏燃料贮存格架放入实验水箱，调整好间隙尺寸，用激振器在给定方向上给乏燃料贮存格架一个初始激励，使乏燃料贮存格架在水中自由振动；用数据采集系统收集乏燃料贮存格架在水中自由振动时传感器输出的测量信号，经数据分析系统处理后输出测量结果数据。本发明的测量方法及装置可以对乏燃料贮存格架在核电站的乏燃料贮存水池中自由的竖向放置的流固耦合参数进行准确模拟测量，测量结果真实、准确、完整，满足实际工程需要。测量装置自动化程度高，操作简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于流固耦合参数的测量技术领域，具体涉及一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置
背景技术
乏燃料贮存格架在核电站的乏燃料贮存水池中安全存放是核电站安全运行中的一个重要问题。在发生地震、海啸等重大自然灾害时，核电站会受到巨大的冲击破坏，为保证核电站安全，要求乏燃料贮存格架受到冲击时不能损坏，保护乏燃料棒不破损，防止核泄漏。为此需要研究乏燃料贮存格架在水池中受到冲击时的流固耦合参数，以确定乏燃料贮存格架的受力状态，为设计乏燃料贮存格架提供设计依据；同时也要检验制成的乏燃料贮存格架的流固耦合参数，以确定制成的乏燃料贮存格架是否满足设计要求。
目前乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置是对单个乏燃料贮存格架进行测量，只能测量单个乏燃料贮存格架与水池壁间的流固耦合参数，不能测量多个乏燃料贮存格架之间的流固耦合参数，因而不能了解多个乏燃料贮存格架之间的受力状态，致使对乏燃料贮存格架的受力状态的了解不完整，影响设计出的乏燃料贮存格架的安全性；在测量时，单个乏燃料贮存格架采用简单的质量-弹簧系统横向悬挂在水池中，与乏燃料贮存格架在乏燃料水池中自由的竖直放置的真实状态相差较远，使得测量误差较大，不能满足实际工程需要；此外，现有的单个乏燃料贮存格架的测量装置动化程度不高，需要人工调节乏燃料贮存格架的测量位置，操作困难，测量精度低。
因此需要开发一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置，能对乏燃料贮存格架与水池壁间的流固耦合参数及多个乏燃料贮存格架之间的流固耦合参数进行准确模拟测量，使测量结果真实、准确、完整，满足实际工程需要，同时使测量装置动化程度高，操作方便，测量精度高。
发明内容
本发明的目的是设计一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置，能对乏燃料贮存格架与水池壁间的流固耦合参数及多个乏燃料贮存格架之间的流固耦合参数进行准确模拟测量，使测量结果真实、准确、完整，满足实际工程需要，同时使测量装置动化程度高，操作方便，测量精度高。
本发明的技术方案是一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法，其多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量步骤如下：
(1)根据测量要求，在乏燃料贮存格架的侧面布置传感器，并接好引出线；在乏燃料贮存格架的底面布置安装滑轮或不安装滑轮；
(2)将乏燃料贮存格架放入实验水箱中，调整好乏燃料贮存格架与实验水箱壁之间的间隙尺寸，调整好乏燃料贮存格架之间的间隙尺寸，并将传感器引出线与数据采集系统联接好，向实验水箱里注水，使水面淹没乏燃料贮存格架；
(3)用激振器在给定方向上给乏燃料贮存格架一个初始激励，使乏燃料贮存格架在水中自由振动；
(4)用数据采集系统收集乏燃料贮存格架在水中自由振动时，乏燃料贮存格架上的传感器输出的测量信号，测量信号经电荷放大器放大后送入数据采集仪处理，数据采集系统输出的数据信号送入数据分析系统，数据信号经数据分析系统处理后输出测量结果数据。
所述传感器是力传感器和加速度传感器。
所述用激振器给定的初始激励是初始速度。
一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，包含实验水箱、驱动系统、数据采集系统、数据分析系统；所述实验水箱用来竖向放置乏燃料贮存格架，实验水箱上带有激振器，激振器由驱动系统控制，数据采集系统采集安放在乏燃料贮存格架上的传感器输出的测量信号，数据采集系统处理测量信号后，输出数据信号到数据分析系统，数据信号经数据分析系统处理后输出测量结果数据。
所述实验水箱上带有纵横向位置调整机构，纵横向位置调整机构由驱动系统控制。
所述传感器布置在乏燃料贮存格架的四周的侧表面上。
所述乏燃料贮存格架的每个侧表面分为上端、中端和下端三部分，在每个部分横向布置三个力传感器，两边各布置一个力传感器，中间布置一个力传感器，中间还布置一个加速度传感器。
所述乏燃料贮存格架底部装有滑轮。
所述数据采集系统包含传感器、电荷放大器、数据采集仪，传感器输出的测量信号经电荷放大器放大后送入数据采集仪处理，经过数据采集仪处理后输出数据信号。
所述数据分析系统由计算机、一组采集软件dasylab9.0组成。
本发明的所提供的多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置具有以下优点：
1.本发明的多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法可以对乏燃料贮存格架与核电站的乏燃料贮存水池壁间的流固耦合参数及多个乏燃料贮存格架之间的流固耦合参数进行准确模拟测量，使测量结果真实、准确、完整，满足实际工程需要。
2.本发明的多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置可以使多个乏燃料贮存格架自由的竖向放置在实验水箱中，与乏燃料贮存格架在核电站的乏燃料贮存水池中自由的竖直放置的真实工作状态相接近，能准确模拟乏燃料贮存格架与实验水箱壁间的工作状态和多个乏燃料贮存格架之间的工作状态。通过调整乏燃料贮存格架与实验水箱壁间的间隙和多个乏燃料贮存格架之间的间隙，可以测量乏燃料贮存格架在实验水箱中的多种排列方式时的流固耦合参数，从中优选出乏燃料贮存格架在实验水箱中的排列方式，增加乏燃料贮存格架在核电站的乏燃料贮存水池中的工作安全性。
3.本发明的多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置带有纵横向位置调整机构，能方便准确调整乏燃料贮存格架与实验水箱壁间的间隙和多个乏燃料贮存格架之间的间隙，使测量装置自动化程度高，操作简单，测量精度高。
附图说明
图1是一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置原理示意方框图。
图2为多个乏燃料贮存格架在实验水箱中的排列方式的俯视示意图。
图3是乏燃料贮存格架的一个侧表面上的传感器布置示意图。
图4是多个乏燃料贮存格架在实验水箱中测量时的立面剖面结构示意图。
图5是多个乏燃料贮存格架在实验水箱中测量时的俯视结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
实施例
本实施例所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置的原理图、测量的排列方式图及测量装置结构示意图见图1到图5所示。
在反应堆结构工程中板状结构十分常见。而在反应堆中工作的板状结构的一大特点就是流体与固体之间存在极强的流固耦合作用。当前，对反应堆工程结构中板状结构的流固耦合的振动特性研究并不多见。在工程上，为了简化板状结构的流固耦合的附加质量的计算，一般用平板直接代替孔板进行计算。用这种方法得到的计算结果与实际情况存在很大的误差，并不能精确的反应出实际的反应堆中乏燃料贮存格架之间的流固耦合效应。现有的单个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置不能准确模拟乏燃料贮存格架之间的流固耦合效应，测量精度低，测量误差较大，不能满足实际工程需要。
为了更加准确的模拟乏燃料贮存格架在实际工作情况下的状态，更加精确的测量多个乏燃料贮存格架间流体的流固耦合特性，在本发明的宽泛实施例中，提供了一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置，通过测量乏燃料贮存格架在振动条件下的力和加速度的时程曲线，然后再通过质量矩阵的计算得到乏燃料贮存格架的附加质量矩阵。较以往的测量方法不同，本实施例中提供的多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法及装置能测量出多个乏燃料贮存格架之间的流固耦合参数，并且是将乏燃料贮存格架竖直的放置在水池中，更加真实的模拟了乏燃料水池中乏燃料贮存格架的真实工作状态，使得到的参数更加符合真实情况。
如图1所示原理示意方框图，本发明提供了一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法，其多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量步骤如下：
(1)根据测量要求，参见图3，在乏燃料贮存格架13的侧面布置力传感器17和加速度传感器18，并接好引出线；在乏燃料贮存格架的底面布置安装滑轮19；
(2)参见图2、图5，将乏燃料贮存格架13放入实验水箱9中，调整好乏燃料贮存格架13与实验水箱9壁之间的间隙尺寸，调整好乏燃料贮存格架13之间的间隙尺寸，并将传感器15引出线与数据采集系统11联接好，向实验水箱9里注水，使水面淹没乏燃料贮存格架13；
(3)用激振器14在给定方向上给乏燃料贮存格架13一个初始速度，使乏燃料贮存格架13在水中自由振动；
(4)用数据采集系统11收集乏燃料贮存格架13在水中自由振动时，乏燃料贮存格架13上的传感器15输出的测量信号，测量信号经电荷放大器20放大后送入数据采集仪21处理，数据采集系统11输出的数据信号送入数据分析系统12，数据信号经数据分析系统12处理后输出测量结果数据。
完成上述步骤后，通过重新调整乏燃料贮存格架13与实验水箱9壁间的间隙和多个乏燃料贮存格架13之间的间隙，再重复进行上述步骤(3)、(4)重新测量，得出另一组测量结果数据，可以测量乏燃料贮存格架13在实验水箱9中的多种排列方式时的流固耦合参数，从中优选出乏燃料贮存格架在实验水箱9中的排列方式，增加乏燃料贮存格架13在核电站的乏燃料贮存水池中的工作安全性。
如图2所示，本发明提供了一种乏燃料贮存格架13在实验水箱9中排列方式，但是本领域技术人员能够理解，在实际测量中，可根据测量目的变换排列方式。
如图3所示，本发明提供了一种力传感器17和加速度传感器18在乏燃料贮存格架13侧面的布置方式，但是本领域技术人员能够理解，在实际测量中，可根据测量目的变换传感器的种类和布置方式。
在测量出乏燃料贮存格架13在振动条件下的力和加速度的时程曲线，可通过质量矩阵的计算得到乏燃料贮存格架13的附加质量矩阵。
质量矩阵的具体计算方法(以图2中所示的乏燃料贮存格架13在1、2、3、4位置为例)；
将乏燃料贮存格架1、2、3、4看为一个系统，通过激振器沿X轴给乏燃料贮存格架1一个初始加速度，通过力传感器和加速度传感器分别测得乏燃料贮存格架1、2、3、4所受的流体力分别为加速度分别为a1x、a2x、a3x、a4x。
多个水中相互作用的实体所受流体作用力可以用下式表达：
其中-Ff是流体力的列向量和是加速度列向量，A为附加质量方形对称矩阵；-Ff1每个固体上的流体力的矢量分量；Xi是固体的瞬时加速度；
由此可得四个乏燃料贮存格架的相互作用可用下式表达：
当乏燃料贮存格架1沿X方向振动，而乏燃料贮存格架2、3、4不动可知，a2x、a3x、a4x全为0，而a1x可以通过加速度传感器测得。并且可以通过乏燃料贮存格架上布置的力传感器得到。根据矩阵可得其中F1x＝M11*a1x+M12*a2x+M13*a3x+M14*a4x,F2x＝M21*a1x+M22*a2x+M23*a3x+M24*a4x，F3x＝M31*a1x+M32*a2x+M33*a3x+M34*a4x，F4x＝M41*a1x+M42*a2x+M43*a3x+M44*a4x，而a2x、a3x、a4x全为0，
因此可得：
同理通过激振器分别激振乏燃料贮存格架2、3、4可以得到M12、M22、M32、M42、M13、M23、M33、M43、M14、M24、M34、M44最终得到乏燃料贮存格架1、2、3、4在振动条件下的附加质量矩阵。这种方法不仅能够得到相邻乏燃料贮存格架振动时的附加质量，并且还能得到不相邻乏燃料贮存格架之间振动时的附加质量。(例如图2中所示的乏燃料贮存格架13在1、2、5、6位置或乏燃料贮存格架13在1、2、7、8位置时)
虽然在以上的测量方法中，在乏燃料贮存格架13上使用了力传感器17和加速度传感器18，通过测量乏燃料贮存格架13在振动条件下的力和加速度的时程曲线，然后再通过质量矩阵的计算得到乏燃料贮存格架13的附加质量矩阵。但是本领域技术人员能够理解，本发明所涉及的技术方案并不局限于此，通过在乏燃料贮存格架13上使用其他类型传感器15，可以测量其他所需流固耦合参数，例如，通过测量乏燃料贮存格架13的衰减因子η，经计算求得乏燃料贮存格架13的附加阻尼Cad。
如图1至图5所示，本发明提供了一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，包含实验水箱9、驱动系统10、数据采集系统11、数据分析系统12；所述实验水箱9用来竖向放置乏燃料贮存格架13，实验水箱9上带有激振器14，激振器14由驱动系统10控制，数据采集系统11采集安放在乏燃料贮存格架13上的传感器15输出的测量信号，数据采集系统11处理测量信号后，输出数据信号到数据分析系统12，数据信号经数据分析系统12处理后输出测量结果数据。
所述实验水箱9上带有纵横向位置调整机构16，纵横向位置调整机构16由驱动系统10控制。
所述传感器15布置在乏燃料贮存格架13的四周的侧表面上。
所述乏燃料贮存格架13的每个侧表面分为上端、中端和下端三部分，在每个部分横向布置三个力传感器17，两边各布置一个力传感器17，中间布置一个力传感器17，中间还布置一个加速度传感器18。
所述乏燃料贮存格架13底部装有滑轮19。
所述数据采集系统11包含传感器15、电荷放大器20、数据采集仪21，传感器15输出的测量信号经电荷放大器20放大后送入数据采集仪21处理，经过数据采集仪21处理后输出数据信号。
所述数据分析系统12由计算机、一组采集软件dasylab9.0组成。
如图4、图5所示，所述实验水箱9是一个大水箱，通常是根据乏燃料贮存格架13的尺寸确定其大小，以实验水箱9能完全竖向放置乏燃料贮存格架13为准。在实验水箱9的上方架有纵横轨道梁，其上装有激振器14、纵横向位置调整机构16，由驱动系统10对它们进行控制。纵横向位置调整机构16是由电动机驱动一个推杆在纵横轨道梁上移动，用来调整乏燃料贮存格架13与实验水箱9的箱壁之间的间隙尺寸，以及与相邻乏燃料贮存格架13之间的间隙尺寸。激振器14安装在另一个由电动机驱动的推杆上，用来对某个设定的乏燃料贮存格架13进行初始激励。
本实施例进行的一次测量中，将8个编号1至8乏燃料贮存格架13按照图2所示的排列方式竖向放置在实验水箱9中。每个乏燃料贮存格架13的四周都均匀的布置12个传感器15，其中包括9个力传感器17，3个加速度传感器18。如图3所示，乏燃料贮存格架13的每个侧表面分为上端、中端和下端三部分，在每个部分横向布置三个力传感器17，两边各布置一个力传感器17，中间布置一个力传感器17，中间还布置一个加速度传感器18。在每个乏燃料贮存格架13的底部装有四个滑轮19，其目的是减少乏燃料贮存格架13与实验水箱9底部的摩擦力，降低摩擦力给乏燃料贮存格架13流固耦合测量实验带来的误差。
如图1所示，将全部传感器15的引线与数据采集系统11相联，力传感器17用于测量乏燃料贮存格架13在振动过程中所受的流体力，加速度传感器18用于记录乏燃料贮存格架13的运动情况，传感器15输出的测量信号经电荷放大器20放大后送入数据采集仪21处理，数据采集系统11输出的数据信号送入数据分析系统12。数据分析系统12由计算机、一组采集软件dasylab9.0组成，该软件可以得到力传感器17和加速度传感器18测量的时程曲线，对动态信号进行分析。分别将乏燃料贮存格架13的每个面上的力的时程曲线和加速度时程曲线做归一化处理，得出一个新的力时程曲线和一个新的加速度时程曲线。这样得到的乏燃料贮存格架13的力和加速度时程曲线能更准确的表明乏燃料贮存格架13的状态，而不是单纯的只测乏燃料贮存格架13上某一点的力和加速度来表示整个乏燃料贮存格架13所受的力和振动的加速度。
利用数据信号经数据分析系统12输出的归一化的力时程曲线和加速度时程曲线，根据质量矩阵的计算方法，即可求得乏燃料贮存格架13的附加质量矩阵。
测量实验中，纵横向位置调整机构16通过电动机的驱动推杆来调节乏燃料贮存格架13之间的间隙，并且乏燃料贮存格架13之间的间隙可以在驱动系统10的操作台显示出来，这样给乏燃料贮存格架13的间隙调节带来了很大的方便，也避免了人工调节时带来的误差，极大的提高了测量实验的精确性。另一个由电动机驱动的推杆用于固定激振器14，在测量实验的过程中，通过激振器14给选定的乏燃料贮存格架13提供初始加速度。
本发明的多个乏燃料贮存格架13的流固耦合参数的测量方法可以对乏燃料贮存格架13与核电站的乏燃料贮存水池壁间的流固耦合参数及多个乏燃料贮存格架13之间的流固耦合参数进行准确模拟测量，使测量结果真实、准确、完整，满足实际工程需要。
本发明的多个乏燃料贮存格架13的流固耦合参数的测量装置可以使多个乏燃料贮存格架13自由的竖向放置在实验水箱9中，与乏燃料贮存格架13在核电站的乏燃料贮存水池中自由的竖直放置的真实工作状态相接近，能准确模拟乏燃料贮存格架13与实验水箱9壁间的工作状态和多个乏燃料贮存格架13之间的工作状态。通过调整乏燃料贮存格架13与实验水箱9壁间的间隙和多个乏燃料贮存格架13之间的间隙，可以测量乏燃料贮存格架13在实验水箱9中的多种排列方式时的流固耦合参数，从中优选出乏燃料贮存格架13在实验水箱9中的排列方式，增加乏燃料贮存格架13在核电站的乏燃料贮存水池中的工作安全性。
本发明的多个乏燃料贮存格架13的流固耦合参数的测量装置带有纵横向位置调整机构16，能方便准确调整乏燃料贮存格架13与实验水箱9壁间的间隙和多个乏燃料贮存格架13之间的间隙，使测量装置自动化程度高，操作简单，测量精度高。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法，其特征是：多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量步骤如下：
(1)根据测量要求，在乏燃料贮存格架的侧面布置传感器，并接好引出线；在乏燃料贮存格架的底面布置安装滑轮或不安装滑轮；
(2)将乏燃料贮存格架放入实验水箱中，调整好乏燃料贮存格架与实验水箱壁之间的间隙尺寸，调整好乏燃料贮存格架之间的间隙尺寸，并将传感器引出线与数据采集系统联接好，向实验水箱里注水，使水面淹没乏燃料贮存格架；
(3)用激振器在给定方向上给乏燃料贮存格架一个初始激励，使乏燃料贮存格架在水中自由振动；
(4)用数据采集系统收集乏燃料贮存格架在水中自由振动时，乏燃料贮存格架上的传感器输出的测量信号，测量信号经电荷放大器放大后送入数据采集仪处理，数据采集系统输出的数据信号送入数据分析系统，数据信号经数据分析系统处理后输出测量结果数据。
2.根据权利要求1所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法，其特征还在于是：所述传感器是力传感器和加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法，其特征还在于是：所述用激振器给定的初始激励是初始速度。
4.一种实现权利要求1所述的多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量方法的测量装置，其特征是：包含实验水箱、驱动系统、数据采集系统、数据分析系统；所述实验水箱用来竖向放置乏燃料贮存格架，实验水箱上带有激振器，激振器由驱动系统控制，数据采集系统采集安放在乏燃料贮存格架上的传感器输出的测量信号，数据采集系统处理测量信号后，输出数据信号到数据分析系统，数据信号经数据分析系统处理后输出测量结果数据。
5.根据权利要求4所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，其特征还在于是：所述实验水箱上带有纵横向位置调整机构，纵横向位置调整机构由驱动系统控制。
6.根据权利要求4所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，其特征还在于是：所述传感器布置在乏燃料贮存格架的四周的侧表面上。
7.根据权利要求6所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，其特征还在于是：所述乏燃料贮存格架的每个侧表面分为上端、中端和下端三部分，在每个部分横向布置三个力传感器，两边各布置一个力传感器，中间布置一个力传感器，中间还布置一个加速度传感器。
8.根据权利要求4所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，其特征还在于是：所述乏燃料贮存格架底部装有滑轮。
9.根据权利要求4所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，其特征还在于是：所述数据采集系统包含传感器、电荷放大器、数据采集仪，传感器输出的测量信号经电荷放大器放大后送入数据采集仪处理，经过数据采集仪处理后输出数据信号。
10.根据权利要求4所述的一种多个乏燃料贮存格架的流固耦合参数的测量装置，其特征还在于是：所述数据分析系统由计算机、一组采集软件dasylab9.0组成。
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