CN113642132B - 一种基于cfd的管束结构流致振动评估临界流速分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，涉及核动力装置结构力学领域，其技术方案要点是：根据流致振动分析模型对管束结构的流致振动行为进行模拟，得到流致振动响应包；根据流致振动响应包判断相应管束结构的流致振动特性是否属于第一预设范围；若属于，则绘制管子有效振幅与流动速度的函数关系图，并通过切线法或门限值法确定临界流速；若属于第二预设范围，则计算管子振动能量，通过能量法确定临界流速。本发明减少了临界流速确定过程中的人为因素，在实际工程中具有良好的可操作性和可重复性，提高了分析设计精度，为换热器管束的流致振动分析与设计提供一种更为准确的通用方法。

Description

一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法
技术领域
本发明涉及核动力装置结构力学领域，更具体地说，它涉及一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法。
背景技术
流致振动是指浸在流体中或传输流体的结构在流体力、阻尼力和弹性力的交互作用下引起的振动现象。在核动力装置中，常见的流致振动机理包括漩涡脱落、湍流激励、流弹失稳和声共振，这种振动总是伴随着反应堆的运行而存在，且由于核动力装置中存在大量的流体机械设备和输流管道系统，易发生由流致振动引起的疲劳、碰撞、噪声及磨损等问题，同时核动力装置对安全性的要求非常高，因此流致振动问题在核工程界受到较多的关注，是核动力装置设计和运行过程中必须要考虑的因素。
核动力装置中存在着大量的管束类结构，所涉及的主要部件包括蒸汽发生器传热管，反应堆堆内构件的导向筒、二次支承组件、支承柱，燃料组件的燃料棒等。当流体流经这些结构时，由于自由剪切层的不稳定，其下游将出现漩涡脱落，漩涡脱落会引起结构的振动及噪声，甚至导致结构失效，同时，漩涡脱落还是导致其他形式的振动发生的重要原因。核动力装置中的流体流速相对较高，几乎处处都存在湍流，湍流在流经的结构表面上会产生脉动压力，在脉动压力的作用下结构会产生振动，在没发生流弹失稳之前，结构振动的振幅随流速的增大而增长。管束的流弹失稳取决于流体力和结构位移间的相互作用，当流速增加到一定值时，系统中流体力所做的功将大于系统阻尼散耗的功，因此管振动的振幅将急剧增大，使结构产生不稳定的最小流速叫做临界流速。无论是设计还是运行阶段，核动力装置管束结构的流速必须小于临界流速，因此，如何确定临界流速变得至关重要。
目前，核动力装置中管束结构的流致振动评估主要依据试验和半经验理论模型，包括以下步骤：(1)利用热工水力分析和模态分析结果，采用基于试验的经验公式分别进行流弹失稳、湍流激励和漩涡脱落分析；(2)通过相关规范确定相应限值；(3)通过比较计算结果和规范限值给出评估结果；(4)对试验样机进行流致振动试验，并根据实验得到的振动位移，与计算结果进行对比，最后确定管束结构的临界流速。目前工程中确定临界流速主要是通过绘制管振幅的有效值或峰值与流动速度的函数关系图，管振幅快速增长的流动速度被定义为临界流动速度。
然而，现有的经验公式，在分析中假设湍流激励、漩涡脱落与流弹失稳是相互独立的，但在实际工程中，这些机理往往会同时发生，并产生复杂的相互作用，而这种作用大多是非线性的，几种机理同时分析要比每种机理单独分析复杂得多；此外，利用管振幅与流动速度的函数关系图来确定临界流速，没有统一标准的、确定的方法来精确地预测临界流速，由不同学者确定的临界流速也可能是不同的，如有的学者把临界流速定义为曲线上其斜率有一突然变化的点，而有的学者把临界流速定义为速度轴与曲线突然上升那部分的切线的交叉点，然而，当振幅与流动速度的函数关系图中出现多个峰值或响应曲线呈现出非单调增加时，问题就变得更困难，甚至难以利用振幅与流动速度的函数关系图来确定临界流速。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中采用经验公式进行管束流致振动评估时，无法同时考虑几种激励机理的相互作用、没有确定的方法来精确地预测临界流速的问题，本发明的目的是提供一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，在核动力装置的设计研发阶段通过CFD模拟计算的方法来确定管束临界流速，提高分析设计的精度和研发效率，为换热器管束的漩涡脱落诱发振动计算提供分析工具，本发明可用于核蒸汽发生器等管束类结构的流致振动分析评价与设计。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，包括以下步骤：
根据预构建的流致振动分析模型对相应管束结构的流致振动行为进行模拟，得到由多个流速下的流致振动响应组成的流致振动响应包，流致振动响应包括管的流体力时程、振动位移时程以及升力与位移的相关系数；
根据流致振动响应包判断相应管束结构的流致振动特性是否属于第一预设范围；若属于，则绘制管有效振幅与流动速度的函数关系图，并通过切线法或门限值法确定临界流速；
根据流致振动响应包判断相应管束结构的流致振动特性是否属于第二预设范围；若属于，则计算管振动能量，并绘制管振动能量与流动速度的函数关系图，以及通过能量法确定临界流速。
进一步的，所述流致振动分析模型的构建过程具体为：
建立管束结构的三维流场几何模型；
将三维流场几何模型导入CFD网格生成软件进行网格划分后得到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CFD流场；
根据相应管束结构的动力学特性建立振动运动方程，将振动运动方程与CFD流场求解耦合后得到流致振动分析模型。
进一步的，所述管束结构的动力学特性包括固有频率、结构阻尼比和单位长度质量；
振动运动方程具体为：
Figure GDA0004250963650000031
其中，M、C和K分别为管束结构的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；阻尼采用Rayleigh阻尼，即C＝αM+βK，α、β分别为管束结构的α阻尼系数、β阻尼系数；x、
Figure GDA0004250963650000032
和/>
Figure GDA0004250963650000033
分别为节点位移、速度和加速度矢量；F(t)为由流体运动引起的载荷；振动方程采用Newmark算法求解。
进一步的，所述CFD网格模型进行网格划分建立时，每根管建立15-20层边界层网格，边界层网格的第一层网格高度依据具体的雷诺数在相应的范围内确定，雷诺数基于自由来流速度和管的直径计算。
进一步的，所述CFD流场的流场入口与第一排管束之间间距为15倍管直径，流场出口位于管束的最后一排管处，振动管上游、下游、上部、下部至少设置3或4排管。
进一步的，所述切线法确定临界流速的具体过程为：
选取振动位移有效值与流速的曲线斜率发生最大变化的点；
将最大变化的点后面的点进行样条曲线拟合，得到拟合曲线；
选取拟合曲线中斜率变化最小的点作为基点，求切线，将得到的截距作为临界流速。
进一步的，所述门限值法确定临界流速的具体过程为：临界流速定义为振动位移有效值第一次超过门限位移值的速度，门限位移值取为管直径的2％。
进一步的，若所述振动位移有效值与流速的函数曲线存在切线，则利用所述切线法确定临界流速；若所述振动位移有效值与流速的函数曲线没有明确的切线存在，则利用所述门限值法确定临界流速。
进一步的，所述第一预设范围具体为：作用在振动管上的升力与横向位移的相关系数大于0.8，呈高度相关；所述第二预设范围具体为：作用在振动管上的升力与横向位移的相关系数小于0.3，呈微相关。
进一步的，所述管振动能量的计算公式具体为：
Figure GDA0004250963650000034
其中，ΔW为管振动能量；y为振动位移，y＝y(x,t)，单位m；x为管轴向坐标，单位m；T为时间，单位s；
Figure GDA0004250963650000035
为作用在管上的升力时程，单位N；/>
Figure GDA0004250963650000036
为阻尼力，单位N；L为管的长度；/>
Figure GDA0004250963650000037
为阻尼耗散力，单位N；U为来流速度，单位m/s；/>
Figure GDA0004250963650000038
为振动速度，单位m/s；/>
Figure GDA0004250963650000041
为振动加速度，单位m/s2；
若系统是稳定的，则ΔW<0；当ΔW从负值通过0到正值时，则会出现不稳定的阈值，此时的流动速度即临界流速。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用CFD仿真模拟的方式来计算流致振动响应，可以同时考虑管束流致振动过程中的各种激励机理的相互作用，获得更加准确的管束流致振动响应，解决了现有换热器管束流致振动分析评价时无法同时考虑各种机理相互作用的技术问题，为换热器管束的流致振动计算提供一种更为准确的通用方法；
2、本发明既可使流场中的流体流动充分发展，又可消除管束整体的漩涡脱落效应，同时还最大程度地减小了计算规模；建立CFD网格模型时，管周围需建立15～20层的边界层网格，第一层网格高度依据具体的雷诺数在相应的范围内确定，该雷诺数应基于自由来流速度和管的直径计算，这些措施保证了CFD建模的合理性，获得更加准确的模拟结果；
3、本发明利用切线法、门限值法、能量法来精确地确定管束的流致振动临界流速，具有统一的标准，减少了临界流速确定过程中的人为因素，在实际工程中具有良好的可操作性和可重复性，提高了分析设计精度；
4、本发明所有过程由计算机程序实现，计算结果可重复性高，可在核动力装置的设计阶段来模拟管束的流致振动特性并确定管束临界流速，当设计不符合要求时，可根据结果进行优化设计，再重复上述步骤，直到管束结构的流致振动性能满足设计要求，这样不仅可以预测潜在的风险，还节省了试验成本，缩短了研发周期。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中三维流场几何模型的示意图；
图3是本发明施例中CFD网格模型的示意图；
图4是本发明实施例中的升力时程图；
图5是本发明实施例中的横向位移时程图；
图6是本发明实施例中的升力-横向位移的相关系数图；
图7是本发明实施例中的能量-流速函数关系图；
图8是本发明实施例中的位移有效值-流速函数关系图；
图9是本发明实施例中的位移有效值-流速的切线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：根据预构建的流致振动分析模型对相应管束结构的流致振动行为进行模拟，得到由多个流速下的流致振动响应组成的流致振动响应包，流致振动响应包括管的流体力时程、振动位移时程以及升力与位移的相关系数；
S2：根据流致振动响应包判断相应管束结构的流致振动特性是否属于第一预设范围；若属于，则绘制管有效振幅与流动速度的函数关系图，并通过切线法或门限值法确定临界流速；
S3：根据流致振动响应包判断相应管束结构的流致振动特性是否属于第二预设范围；若属于，则计算管振动能量，并绘制管振动能量与流动速度的函数关系图，以及通过能量法确定临界流速。
图2为一具体实施例的管束结构三维流场几何模型，为了使得流体介质得到充分发展，流场入口距第一排管束为15倍管直径，为了消除管束整体的漩涡脱落效应，流场出口位于管束的最后一排管处，为了消除边界效应，振动管上游、下游、上部、下部至少需要3～4排管。
将上述三维流场几何模型进行CFD网格划分，每根管的边界层数设置为15，然后在深度方向拉伸10mm，网格模型如图3所示。
根据具体管束结构的动力学特性，建立振动运动方程，将结构振动方程与CFD流场求解耦合，采用Newmark算法求解结构动力学方程，本实施例只考虑横向振动，因此仅有一个自由度，动力学方程为：
Figure GDA0004250963650000051
其中，M＝mlL为管的质量，C＝2×(2πf)×ζ×M为结构阻尼，K＝(2πf)2M为管的刚度，ffei(t)为CFD计算得到的流体力；其中，ml为管的单位长度质量，L为管的长度，ζ为阻尼比，f为管固有频率，具体应用中应根据实际设计参数来确定，本实施例的模型参数列于表1。
表1模型参数
Figure GDA0004250963650000061
在开源CFD计算工具OpenFOAM中采用sixDOFRigidBodyMotion求解器(或Fluent中的UDF功能，或其它CFD分析软件的类似功能)将动力学方程与流场计算耦合，动力学方程求解采用Newmark方法。
分别计算不同入口流速下，作用于振动管上的升力时程、位移时程分别如图4、图5所示，再计算升力与位移的相关系数，如图6所示。本实例中升力与位移的相关系数小于0.3，属于第二预设范围，然后计算管振动过程中的能量，由于是单自由度系统，能量的计算公式简化为：
Figure GDA0004250963650000062
式中，y＝y(x,t)为振动位移，单位m；T是时间，单位s；
Figure GDA0004250963650000063
是作用在管上的升力，单位N；/>
Figure GDA0004250963650000064
是阻尼力，单位N。U为来流速度，单位m/s；/>
Figure GDA0004250963650000065
为振动速度，单位m/s；/>
Figure GDA0004250963650000066
为振动加速度，单位m/s2；
根据能量-速度函数关系图，如图7所示，找到ΔW从负值通过0到正值时对应的速度，即为临界流速，对于本实施例临界流速为3.7m/s。
实施例2：
在实施例1的一种基于CFD的管束结构流致振动临界流速分析方法的基础上，设置流体介质为水，其余所有参数与实施例1完全相同。
分别计算不同入口流速下，作用于振动管上的升力时程、位移时程，再计算升力与位移的相关系数。本实例中升力与位移的相关系数大于0.8，属于第一预设范围，然后绘制管有效振幅与流动速度的函数关系图，如图8所示。然后可见，本实施例的管有效振幅与流动速度的函数关系曲线无法作切线，因此采用门限值法确定临界流速，对于本实施例临界流速为0.097m/s。
实施例3：
在实施例1的一种基于CFD的管束结构流致振动临界流速分析方法的基础上，设置流体介质为水、管的单位长度质量ml＝3，其余所有参数与实施例1完全相同。
分别计算不同入口流速下，作用于振动管上的升力时程、位移时程，再计算升力与位移的相关系数。本实例中升力与位移的相关系数大于0.8，属于第一预设范围，然后绘制管有效振幅与流动速度的函数关系图，本实施例的管有效振幅与流动速度的函数关系曲线存在明确的切线，因此采用切线法确定临界流速，如图9所示，对于本实施例临界流速为0.16m/s。
在本实施例中，结构参数具体为：传热管的几何尺寸、材料特性、支撑形式以及固有频率。传热管的固有频率能够通过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，商用有限元软件有ANSYS、ABAQUS等。CFD分析软件可使用开源CFD工具OpenFOAM或通用商业CFD软件，商用CFD软件有Fluent、CFX等。相关系数、能量、切线等的求解可通过数值计算软件MATLAB、FORTRAN、C、MAPLE等实现。
工作原理：本发明采用CFD模拟的方式来计算流致振动响应，可以同时考虑管束流致振动过程中的各种激励机理的相互作用，解决了现有换热器管束流致振动分析评价时无法同时考虑各种机理相互作用的技术问题；依据管束的流致振动响应特性，利用切线法、门限值法、能量法来精确地确定管束的流致振动临界流速，所有过程由计算机程序实现，具有统一的标准，减少了临界流速确定过程中的人为因素，在实际工程中具有良好的可操作性和可重复性，提高了分析设计精度，为换热器管束的流致振动分析与设计提供一种更为准确的通用方法。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，包括以下步骤：
根据预构建的流致振动分析模型对相应管束结构的流致振动行为进行模拟，得到由多个流速下的流致振动响应组成的流致振动响应包，流致振动响应包括管的流体力时程、振动位移时程以及升力与位移的相关系数；
根据流致振动响应包判断相应管束结构的流致振动特性是否属于第一预设范围；若属于，则绘制管有效振幅与流动速度的函数关系图，并通过切线法或门限值法确定临界流速；
根据流致振动响应包判断相应管束结构的流致振动特性是否属于第二预设范围；若属于，则计算管振动能量，并绘制管振动能量与流动速度的函数关系图，以及通过能量法确定临界流速。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述流致振动分析模型的构建过程具体为：
建立管束结构的三维流场几何模型；
将三维流场几何模型导入CFD网格生成软件进行网格划分后得到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CFD流场；
根据相应管束结构的动力学特性建立振动运动方程，将振动运动方程与CFD流场求解耦合后得到流致振动分析模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述管束结构的动力学特性包括固有频率、结构阻尼比和单位长度质量；
振动运动方程具体为：
Figure FDA0004250963640000011
其中，M、C和K分别为管束结构的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；阻尼采用Rayleigh阻尼，即C＝αM+βK，α、β分别为管束结构的α阻尼系数、β阻尼系数；x、
Figure FDA0004250963640000012
和/>分别为节点位移、速度和加速度矢量；F(t)为由流体运动引起的载荷；振动方程采用Newmark算法求解。
4.根据权利要求2所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述CFD网格模型进行网格划分建立时，每根管建立15-20层边界层网格，边界层网格的第一层网格高度依据具体的雷诺数在相应的范围内确定，雷诺数基于自由来流速度和管的直径计算。
5.根据权利要求2所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述CFD流场的流场入口与第一排管束之间间距为15倍管直径，流场出口位于管束的最后一排管处，振动管上游、下游、上部、下部至少设置3或4排管。
6.根据权利要求1所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述切线法确定临界流速的具体过程为：
选取振动位移有效值与流速的曲线斜率发生最大变化的点；
将最大变化的点后面的点进行样条曲线拟合，得到拟合曲线；
选取拟合曲线中斜率变化最小的点作为基点，求切线，将得到的截距作为临界流速。
7.根据权利要求1所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述门限值法确定临界流速的具体过程为：临界流速定义为振动位移有效值第一次超过门限位移值的速度，门限位移值取为管直径的2％。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，若所述振动位移有效值与流速的函数曲线存在切线，则利用所述切线法确定临界流速；若所述振动位移有效值与流速的函数曲线没有明确的切线存在，则利用所述门限值法确定临界流速。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述第一预设范围具体为：作用在振动管上的升力与横向位移的相关系数大于0.8，呈高度相关；所述第二预设范围具体为：作用在振动管上的升力与横向位移的相关系数小于0.3，呈微相关。
10.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于CFD的管束结构流致振动评估临界流速分析方法，其特征是，所述管振动能量的计算公式具体为：
Figure FDA0004250963640000021
其中，ΔW为管振动能量；y为振动位移，y＝y(x,t)，单位m；x为管轴向坐标，单位m；T为时间，单位s；为作用在管上的升力时程，单位N；/>为阻尼力，单位N；L为管的长度；/>
Figure FDA0004250963640000024
为阻尼耗散力，单位N；U为来流速度，单位m/s；/>
Figure FDA0004250963640000025
为振动速度，单位m/s；/>
Figure FDA0004250963640000026
为振动加速度，单位m/s2；
若系统是稳定的，则ΔW<0；当ΔW从负值通过0到正值时，则会出现不稳定的阈值，此时的流动速度即临界流速。
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