CN113324720B - 一种同轴双层筒附加质量试验测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种同轴双层筒附加质量试验测量装置及测量方法，用于实际反应堆中主泵支撑筒‑热屏高径比大于2的结构，实际反应堆包括主泵支撑筒构件以及主泵支撑筒构件外侧的内、外热屏，包括根据主泵支撑筒缩比构成的内筒和根据内、外热屏缩比构成外筒，内筒与其外筒构成一个同轴双层筒结构；同轴双层筒的间隙和内筒中充水；外筒与底部法兰为一体结构，外筒通过活动连接方式设置在底板上，所述内筒与底板为一体结构；底板固定在地面或其他台架上。本发明通过进行有针对性传感器以及测点选取，使得所得结果更加准确稳定，采取该装置的测量方式可以更好地评估同轴双层筒圆柱构件内外层之间的流固耦合特性。

Description

一种同轴双层筒附加质量试验测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置及其测量方法，尤其是涉及一种同轴双层筒附加质量试验测量装置及测量方法。

背景技术

随着社会的发展进步，核能成为最终解决人类能源问题的选择之一。核反应堆内构件的抗震能力是核反应堆安全评定的重要指标。在反应堆中，有效存在大量用于支撑和隔离冷却剂的支撑筒以及用于隔热的热屏结构。设备支承筒等堆内构件多为大尺寸且壁薄的同轴双层圆柱壳结构，刚度相对较低，而这些圆柱壳与圆柱壳之间存在着狭窄的流体间隙。这些薄壁圆柱壳结构的流固耦合作用会随着筒间距的减小而显著增大。为了衡量流固耦合效应的大小提出了附加质量的概念，该方法是基于势流理论，把结构所受流体力简化为与结构运动加速度相关的惯性力，并把惯性力项的系数称作附加质量。流固耦合效应会降低构件的固有频率，在发生地震时可能会对堆内构件造成危害，因此开展快堆同轴多层薄壁构件中窄间隙的流固耦合研究对堆本体的地震安全性评价至关重要。

国外对于同轴圆柱体的流固耦合特性比较全面，提出了一些计算方法并通过实验以及CFD软件模拟来验证多格架流体耦合模型的正确性。针对完全浸没在流体中的无限长圆柱体，Fritz给出了其附加质量公式，该公式也被ASME所采纳并被广泛应用。但是该公式也存在一定的限制，例如比较适用于高径比较大的圆柱体，可能对于快堆设备支承筒这类高径比较小的同轴筒体较保守。而国内的相关研究比较少，如现有技术，段德萱等人发表的文章《同轴多层壳体间窄间隙流固耦合特性研究》，该文章中使用ansys模拟了主泵支撑筒的三层结构并通过有/无水频率对比的方法计算其附加质量，其方法简化模型要求水位重心与筒重心相同，因此该方法并不适用于液位较低的情况，不能解决本实验装置对不同液位附加质量进行测算的需求，本实验处理方法通过附加值量定义进行推导适用于任意液位的情况。且其模型进行简化并未考虑主泵的重量对支撑筒频率的影响。可以发现国内的研究主要是商用软件模拟，数值模拟的模型相比于真实模型有所简化，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。因此，针对本问题的实验验证很有必要。

发明内容

本发明目的是为了获取准确评估流固耦合效应以降低堆本体抗震计算的保守性，对抗震计算中的不确定因素进行补充验证。

本发明采取的技术方案如下：

一种同轴双层筒附加质量试验测量装置，该测量装置适用于主泵支撑筒-热屏高径比大于2的结构，其特征为：包括内筒和外筒，所述内、外筒按照实际反应堆中的主泵支撑筒、热屏缩比而成的，该反应堆构建由主泵支撑筒以及主泵支撑筒构件外侧的两层热屏构成，主泵支撑筒与其内外两层热屏构成一个三层筒结构。在实验过程中可选取四个外筒，其中三个外筒根据内热屏缩比而成，特点是筒半径较小且壁厚较薄，三个外筒区别在于半径大小不同，而另一个外筒按照外热屏缩比而成，其特点是筒壁较厚且半径较大；所述同轴双层筒的间隙和内筒中充水；所述外筒与底部法兰为一体结构，内筒与底板为一体结构，外筒通过活动连接方式设置在底部底板上；所述底板固定在地面或其他台架上。

本发明还公开一种同轴双层筒附加质量试验测量方法：

包括如下步骤：

步骤1：按照实际反应堆中主泵支撑筒构件、内热屏尺寸，选取适当的外筒和通过吊装的方式安装在内筒的底板上，并安装配重片；

步骤2：在同轴双层筒上布置加速度传感器和压力传感器，每层布置相同个数压力测点和加速度测点；

步骤3：将传感器与采集设备相连，对传感器进行标定并且设置激振器参数，将激振器与被测筒顶端测点相连；

步骤4：开展激振试验并观察各测点数据记录情况；

步骤5：通过DASP软件的模态动力学模块，进行态拟合，确定各筒前三阶主频以及各测点位移数据；

步骤6：根据获取的频率进行驻波激振实验，求得筒体的附加质量。

有益效果

本发明依据快堆模型的主泵支撑筒及周边热屏模型进行简化和缩比，建立了能够通过实验测量地震作用下反应堆环域内主泵支撑筒布置的同轴圆筒构件液体附加质量的装置，通过进行有针对性传感器以及测点选取，使得所得结果更加准确稳定，采取该装置的测量方式可以更好地评估同轴双层筒圆柱构件内外层之间的流固耦合特性。

附图说明

图1为本发明同轴双层筒示意图，其中图1(a)为模拟外热屏-主泵支撑筒双层筒结构示意图,图1(b)为模拟内热屏-主泵支撑筒双层筒结构示意图；

图2(a)为本发明同轴双层筒实验测量测点示意图；图2(b)为压力传感器布置切面视图；图2(c)为加速度传感器布置切面视图。

图3为本发明同轴双层筒配重示意图，其中图3(a)为添加配重的法兰示意图；图3(b)为配重片与法兰装配示意图。

图4为本发明同轴双层筒激振器安装示意图。

具体实施方式

反应堆中，设备支承筒等堆内构件多为大尺寸且壁薄的同轴双、多层圆柱壳结构，刚度相对较低，而这些圆柱壳与圆柱壳之间存在着狭窄的流体间隙。这些薄壁圆柱壳结构的流固耦合作用会随着筒间距的减小而显著增大。本发明通过对用于支撑主泵的主泵支撑筒以及用于隔热的热屏构件进行简化，建立同轴筒体间距对筒体壁面所受流体压力和固有频率的影响规律，通过对双层筒进行试验并测得动态的加速度和压力数据，通过本领域公知软件DASP软件进行模态拟合得到双层筒的主频以及位移数据，最后使用由理论推出的附加质量公式计算得到双层筒的附加质量。通过试验获得高径比大于2的梁式和壳式振型同轴筒体壁面的动液载荷、附加质量和固有频率。

本发明采取如下技术放案实现上述目的：一种同轴双层筒附加质量试验测量装置，用于实际反应堆中主泵支撑筒-热屏高径比大于2的结构，所述实际反应堆包括主泵支撑筒构件以及主泵支撑筒构件外侧的内、外热屏，其特征为：包括根据主泵支撑筒缩比构成的内筒和根据内、外热屏缩比构成外筒，所述内筒与其外筒构成一个同轴双层筒结构；所述同轴双层筒的间隙和内筒中充水；所述外筒与底部法兰为一体结构，外筒通过活动连接方式设置在底板上，所述内筒与底板为一体结构；所述底板固定在地面或其他台架上。

本发明旨在针对主泵支撑筒-热屏这样的高径比大于2的结构，研究双层圆筒的窄缝间隙流固耦合效应。具体同轴双层筒示意图如图1所示。同轴双层筒由铝合金制作，模型两筒间隙和内筒中充水。实验装置中由四个外筒和一个内筒组成，内筒按照主泵支撑筒缩比而成，三个外筒根据内热屏缩比而成，另一个外筒按照外热屏缩比而成。各外筒与底部法兰为一体结构，各外筒可以通过一定的连接方式在底部底板进行拆卸或安装，再由底板通过螺栓固定在地面或其他台架上。试验装置可以通过安装不同外筒分别探究内外筒不同间距以及不同热屏对固有频率、附加质量的影响，也可以通过调整液位来研究液位对固有频率和附加质量的影响。同时也可以同时安装多个筒进行多层筒的试验。

实验装置测量方法如下：

同轴双层筒附加质量试验测量方法，包括所述的同轴双层筒附加质量试验测量装置，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：选取适当的外筒通过吊装的方式安装在内筒的底板上，并安装配重片；

具体同轴双层筒示意图如图1所示，其中内筒为固定选择，对于外筒可以选择根据内热屏缩比而成的较薄三个外筒，并且该三个外筒半径尺寸各不相同，科研用于探究内外筒窄间隙大小对流固耦合作用的影响，另一个选择壁厚较厚半径较大按外热屏尺寸缩比的第四个外筒，其主要用于探究较刚半径较大的外筒对流固耦合效应影响。

由图3a可以看见，模拟主泵支撑筒的内筒顶部有内法兰，可以添加配重片的圆台，多个配重片通过螺栓方式进行固定，多层配重片形成的圆台中间留有圆孔，以便各传感器线从筒顶部伸出。在筒顶部外侧留有4个激振器的激振孔，可以通过不同方向激振，具体由图3b所示。

步骤2：在同轴双层筒上布置加速度传感器和压力传感器，每层布置相同个数压力测点和加速度测点：

参见图2所示，试验测量装置通过加速度传感器与压力传感器进行测量，每个筒布置四层测点，每层测点最多可以布置八个，可以根据水位来调整测点的数量以及层数。传感器第一层距筒底法兰0.05m，第二层距筒底法兰0.75m，第三层距筒底法兰1.45m，第四层距筒底法兰2.15m。每层布置相同个数压力测点和加速度测点，来测量对应的压力和加速度数值。命名方式：N＝XYZ，X＝1表示内筒，X＝2表示外筒，Y＝1为加速度测点，Y＝2为压力测点，Z表示每个筒的两位数测点编号，从第一层一点开始逆时针逐层递加。例如：内筒第三层第一个传感器测点编号即为：N＝1217。通常水位为1.5m，在下三层布置测点。关于获得的模态振型按照其轴向波数和周向波数进行区分，轴向波数与周向波数均为1的振型称为梁式振型，周向波数大于1的振型为壳氏振型，由于添加了配重片，本同轴双层圆筒试验装置的主要振型为内筒的梁式振型和外筒的壳式振型，故加速度测点的布置主要布置在内筒和外筒。根据我们使用应用软件，如本领域公知的ansys软件按1：1大小对实验模型进行建模，通过模态计算方法模拟出双筒的主频，其振型主要为梁式振型、轴向波数为1且周向波数为2和周向波数为3的壳氏振型，记作(1,2)和(1，3)其中(m,n)为模态振型的表现形式，其中m为轴向波数，n为周向波数。由于最大周向波数为3，故至少一层需布置7个测点。加速度测点：在实验的模态测量中，加速度测点周向360°布置。对于内筒和外筒筒体，顶层和中层各布置沿周向360°均匀布置8个测点，底层由于固定在地震台上，所以只需布置水平方向的2个测点即可代表全部底层的测点。

压力测点：对于压力测点，由于流体间隙很小，近似认为沿间隙方向的压力相等，故仅需测量外筒和内筒之间的压力。对于双层筒体时，仅在内筒布置压力测点，外筒上不布置压力测点。具体测点布置由下图所示。

本实验装置采用激振器和振动台对模型的附加质量进行测量。激振器试验主要测量外筒的壳式振型，而振动台试验用于测量内筒的梁氏振型。激振实验时将激振器按设定的孔位进行激振，每个筒并对得到的各测点加速度和压力实验数据进行处理分析，得到各筒壁面的附加质量分布。振动台实验时将模型底板固定在振动台上进行振动，每个筒并对得到的各测点加速度和压力实验数据进行处理分析，得到各筒壁面的附加质量分布。

步骤3：将传感器与采集设备相连，对传感器进行标定并且设置激振器参数，将激振器与被测筒顶端测点相连；

本实验装置使用数据传到线将传感器与与采集卡相连，内筒的传感器布置在内筒内测，其的数据线从配重片顶端的圆孔伸出，外筒的传感器布置在外筒外侧，可直接连接到传感器上。本实验使用公知软件DASP进行数据的测量，该软件由北京东方振动和噪声技术研究所开发，主要用于数据采集和信号处理，其用于测量记录，代替磁带机和示波器，又能用于波形分析、频谱分析和数字信号处理等多种功能的软件。由于筒体为对称结构，四个激振点对实验结果并无太大影响，可以根据实验条件自行选择。激振器与筒体使用杆件连接，如图4所示，激振器被固定在定制的激振器支架，再通过连杆与筒体的激振孔连接。定制的激振器支架可以调控激振器的高度，根据实际情况在各个高度进行激振，通过激振孔链接，激振器可以直接激振内筒。

步骤4：开展激振试验并观察各测点数据记录情况；

步骤5：通过DASP软件的模态动力学模块，进行态拟合，确定各筒前三阶主频以及各测点位移数据；

首先进行扫频试验，扫频试验主要输入较大频率范围进行激振，从而获得筒振动响应较大的频率。通过扫频试验采集到双层筒扫频时对应测点的加速度数据和压力数据，接下来使用由北京东方振动和噪声技术研究所开发的DASP软件对加速度数据进行模态拟合分析，获得内筒的梁氏振型频率以及外筒前三阶主频，该软件主要用于数据采集和信号处理，其用于测量记录，代替磁带机和示波器，又能用于波形分析、频谱分析和数字信号处理等多种功能的软件。

步骤6：根据获取的频率进行驻波激振实验，并根据所得数据求得筒体的附加质量。

根据获取的频率进行驻留激振试验，驻波试验主要为以双层筒结构的主频为输入频率进行激振，从而可以获得筒在其固有频率下对应测点的加速度数据和压力数据。通过使用DASP软件对加速度数据进行模态拟合分析获得位移。根据Auyang在1976年发表的论文Free Vibration of Fluid-Coupled Coaxial Cylindrical Shells of DifferentLengths可知，针对某一振型Ψ_α(φ,Z)，α振型的位移可以表达为：

w_α(r,θ,z)＝W_α(r)Ψ_α(φ,Z) (1)

式中w_α为α振型的法向位移，W_α为广义坐标，Ψ_α为振型函数。

假定压力的势函数与振动的势函数相同，则结构壁面的压力可以表达为：

p_α(r,θ,z)＝P_α(r)Ψ_α(φ,Z) (2)中

p_α为α振型结构壁面的压力，P_α为压力的势函数，Ψ_α为振型函数。

其中，压力在势函数的投影可以进一步表达为：

式中ω为模态的频率，M_α为α振型附加质量，C_αβ是耦合项系数，W_β为广义坐标。

由于内筒刚度较大，可以忽略上式关于β的耦合项，故对于任意一阶振型α而言，其壁面的压力满足：

p_α＝-ω²M_αW_αΨ_α(φ,Z) (4)

根据式(1)和式(4)，可得

根据上式，只需知道圆柱上测点的压力、位移和振动角频率，即可求得该位置的附加质量。也就是说，流体中结构的附加质量实际上是结构在谐振作用下，结构所受流体压力与结构加速度的比值。通过DASP软件可以获得测点的位移，压力传感器可以测量测点压力，输入的频率可以获得振型频率，因此通过上式可以计算出各个测点的附加质量，记作m_xxx,xxx为点的编号。根据使用ansys模拟计算的结果发现，对于各个方向对称的同轴双层筒每一层各点的附加质量近似相同，因此每一层附加质量通过取个点的平均值获取，记作M_x,x为层数。对获得的每层附加质量按竖直高度方向积分并除以筒体的体积，可以得到整层筒附加质量密度，记作M_v。下式为三层测点按竖直方向积分附加质量密度的具体公式，式中V为筒的体积，i为布置测点的总层数。

通过以上方法获得了薄壁双层筒体的附加质量密度，便可以评估高径比大于2的同轴双层筒的流固耦合效应对筒体主频的影响。该方法既补齐了同轴圆柱筒体试验技术方案上的缺失，同时又减少了公式计算和数值模拟计算得到附加质量的保守性。为附加质量测算在工程上的应用提供了方法和数据上的参考。

总之，本发明相对现有技术，存在如下优点：

1)内外筒使用可拆卸的形式安装在底板上，可供独立测量单个筒或多个筒同时的流固耦合参数。提供了四个直径大小不同的外筒，并可以改变内为筒间的距离，以应对不同情况下各筒流固耦合参数的测量。同时，也可根据其他情况增加筒数量，大大增加了可以测量的工况种类。

2)内筒顶部设置可拆卸可调节重量的配重片，因该装置测量附加质量主要针对的是主泵支承筒一阶梁式/壳氏振型，且实际情况下，支承筒上端都装有各种装置，增加了支承筒顶部重量，可方便探究支承筒顶部重量不同对流固耦合效应的影响。同时，由于增加了顶部配重，主泵支承筒出现一阶梁式振型的频率降低，适当增加配重可降低所需振动台振动频率，方便操作且增加了安全性及耐用性。

3)通过使用该试验测量装置，可以测量同轴双层筒各点的附加质量分布，也可以通过对数据进行处理获得筒体的附加质量。采用这样的方法可以更加深入的了解同轴双层筒结构的流固耦合特性，具有工程上的研究价值。

4)激振器被固定在定制的激振器支架，再通过连杆与筒体的激振孔连接。定制的激振器激振器支架可以调控激振器的高度，根据实际情况在各个高度进行激振，通过激振孔链接，激振器可以直接激振内筒。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种同轴双层筒附加质量试验测量装置，用于实际反应堆中主泵支撑筒-热屏高径比大于2的结构，所述实际反应堆包括主泵支撑筒构件以及主泵支撑筒构件外侧的内、外热屏，其特征为：包括根据主泵支撑筒构件缩比构成的内筒和根据内、外热屏缩比构成的外筒，所述内筒与其外筒构成一个同轴双层筒结构；所述同轴双层筒的间隙和内筒中充水；所述外筒与底部法兰为一体结构，外筒通过活动连接方式设置在底板上，所述内筒与底板为一体结构；所述底板固定在地面或其他台架上；所述内筒顶部设置内法兰，内法兰可以添加多层配重片，多层配重片形成的圆台中间留有圆孔；内筒顶部留有多个激振器的激振孔，该激振孔用于与激振器连接，进行不同方向激振的激振试验。

2.根据权利要求1所述的同轴双层筒附加质量试验测量装置，其特征为：实验过程中，选取四个外筒和一个内筒，其中，三个外筒根据内热屏缩比而成，另一个外筒按照外热屏缩比而成。

3.根据权利要求1所述的同轴双层筒附加质量试验测量装置，其特征为：所述同轴双层筒由铝合金材料制作。

4.根据权利要求3所述的同轴双层筒附加质量试验测量装置，其特征为：所述测量装置采用激振器或振动台对同轴双层筒的附加质量进行测量；所述激振器固定在激振器支架上，通过连杆与激振孔相连。

5.根据权利要求1所述的同轴双层筒附加质量试验测量装置，其特征为：所述同轴双层筒的振型为：内筒为梁式和/或壳式振型，外筒为壳式振型。

6.一种同轴双层筒附加质量试验测量方法，包括权利要求1-5任一所述的同轴双层筒附加质量试验测量装置，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：按照实际反应堆中主泵支撑筒构件、内热屏尺寸，选取适当的外筒和内筒通过吊装的方式安装在底板上，并安装配重片；

步骤2：在同轴双层筒上布置加速度传感器和压力传感器，每层布置相同个数压力测点和加速度测点；

步骤3：将传感器与采集设备相连，对传感器进行标定并且设置激振器参数，将激振器与内筒顶端测点相连；

步骤4：开展激振试验并观察各测点数据记录情况；

步骤5：通过DASP公知软件的模态动力学模块，进行模态拟合，确定各筒前三阶主频以及各测点位移数据；

步骤6：根据获取的频率进行驻波激振实验，求得筒体的附加质量。

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