CN114036871B - 基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法及装置，包括获取棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数；利用相关长度数据库通过插值获得具体结构参数下的相关长度；基于无量纲参考等效功率谱密度、所述流场参数和所述相关长度，计算功率谱密度；计算功率谱密度的傅立叶半谱和傅立叶全谱；将功率谱密度的傅立叶全谱通过快速傅立叶逆变换方法把频域的功率谱密度转换到时域上，沿着棒状结构在长度方向上进行积分，得到作用在棒状结构上的湍流激励力时程；将湍流激励力时程施加到棒状结构上，计算棒状结构由随机湍流激励诱发的振动响应；输出结果，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆结构力学技术领域，尤其涉及堆内构件导向筒、支承柱和燃料棒等棒状结构在湍流激励下诱发振动响应的详细评估；具体涉及基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法及装置。
背景技术
在核反应堆中，引发流致振动的机理主要包括湍流激振、流弹失稳、漩涡脱离和声共振。由于核反应堆中流体流速相对较高，在堆内构件、燃料棒、泵和阀门中几乎处处存在湍流。
湍流激振是指：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。湍流中脉动变化的压力和速度场不断供给结构能量，当湍流脉动的主频率与结构的固有频率相近时，结构吸收能量并产生振动。湍流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性。湍流激振是导致部件发生疲劳、磨损乃至失效的重要原因。
根据国内外核电站中对反应堆部件失效的多例事故的统计分析可知，随机湍流激励导致的反应堆各部件流致振动及与其相关的冲击磨损和疲劳老化，是导致其失效的主要原因。湍流激振对结构的影响是长期并且无法避免的，为确保结构在使用寿期内的完整性，只能通过优化结构设计和调整流速，将湍流引起的结构振动响应控制在可接受的范围之内。
目前对随机湍流激励振动的研究方法主要有三种：一是同时考虑流体对结构以及结构变形对流场的影响，联立流体方程和固体方程并同时求解，该方法可以将流固耦合效应考虑得更为充分，但目前这一问题尚未得到严格的数学解；二是进行合理假设，通过等效功率谱密度确定作用在结构上的随机激励力，利用经典的随机振动理论计算结构各阶模态的位移均方根响应，进行平方和平方根组合，得到结构在随机湍流激励下的振动响应，该方法简单、高效，但是无法考虑间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素；三是采用瞬态分析的方法，将湍流激励力时程施加到结构上，计算结构在随机湍流激励下的振动响应，该方法可以考虑间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素，难点在于获得作用在结构上的湍流激励力时程。
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问题：
双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，计算代价很大，目前计算结果与实测结果存在较大偏差，难以用于实际工程问题的随机湍流激励振动分析和设计改进；基于经典随机振动理论的分析方法，无法考虑间隙、碰撞和摩擦等与冲击磨损、微动接触疲劳相关的非线性因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，计算代价很大，目前计算结果与实测结果存在较大偏差，难以用于实际工程问题的随机湍流激励振动分析和设计改进；基于经典随机振动理论的分析方法，无法考虑间隙、碰撞和摩擦等与冲击磨损、微动接触疲劳相关的非线性因素。
本发明目的在于提供基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法及装置，基于堆内构件棒状结构的无量纲等效功率谱密度，利用本发明提供的湍流激励功率谱密度的相关长度数据库，可以方便地通过快速傅立叶逆变换获得结构上由湍流导致的随机激励力时程。当棒束动力模型为非线性时，本发明可以考虑堆内构件棒状结构包含的间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素,计算棒状结构在横向随机湍流激励下任意位置的结构响应，详细评估结构改动和运行参数变化对堆内构件棒状结构在湍流激励下诱发振动的影响，为结构优化设计和运行参数调整提供技术支持。
本发明通过下述技术方案实现：
基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，该方法包括：
获取堆内构件棒状结构的结构参数和棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数；
根据所述棒状结构的结构参数和所述流场参数，利用相关长度数据库通过插值获得具体结构参数下的相关长度；
基于无量纲参考等效功率谱密度、所述流场参数(即棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数的流速)和所述相关长度，计算功率谱密度SF(f)；
计算功率谱密度SF(f)的傅立叶半谱XH(f)和功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)；
将功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)通过快速傅立叶逆变换IFFT方法把频域的功率谱密度转换到时域上，沿着棒状结构在长度方向上进行积分，得到作用在棒状结构上的湍流激励力时程x(t)；
将湍流激励力时程x(t)施加到棒状结构上，计算棒状结构由随机湍流激励诱发的振动响应；
根据所述振动响应，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
进一步地，所述的获取棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数，是利用计算流体动力学软件对堆内构件三维流场进行定常分析，获得棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数。
进一步地，所述棒状结构的结构参数包括棒状结构的几何尺寸、材料特性、支撑形式、各阶振型与频率。
进一步地，所述流场参数包括棒外流体的密度和流速。
进一步地，所述相关长度数据库为：
表中：D为棒状结构的外径，P为节距；
进一步地，基于无量纲参考等效功率谱密度、所述流场参数和所述相关长度，计算功率谱密度SF(f)；采用的公式如下：
当0.01≤fR＜0.5时，
当fR＞0.5时，
fR＝f/f0 (3)
f0＝Up/D (4)
式中，fR为折合频率，f0和p0为归一化因子，f0用于缩比频率，p0用于缩比压力，Up为间隙流速，λc为相关长度，ρ为反应堆冷却剂密度，Fs为采样频率，N为采样点数；为无量纲参考等效功率谱密度，SF(f)为功率谱密度。
进一步地，所述的计算功率谱密度SF(f)的傅立叶半谱XH(f)和功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)；具体包括：
根据Parseval定理，计算得到功率谱密度SF(f)的傅立叶半谱XH(f)；
生成一组随机相位，计算功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)；
其中，
式中，SF(f)为功率谱密度，N为采样点数，Fs为采样频率，X(f)为功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱，XH(f)为功率谱密度SF(f)的傅立叶半谱。
进一步地，所述的根据所述振动响应，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线；具体包括：
当棒束动力模型为非线性时，考虑堆内构件棒状结构包含的间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素，计算棒状结构在横向随机湍流激励下任意位置的结构响应；
计算得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
进一步地，该方法适用于单相流中在横向流激励下的结构。
进一步地，该方法用于反应堆堆内构件的流致振动分析。
第二方面，本发明又提供了基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析装置，该装置包括：
获取单元，用于获取堆内构件棒状结构的结构参数和棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数；
相关长度计算单元，用于根据所述棒状结构的结构参数和所述流场参数，利用相关长度数据库通过插值获得具体结构参数下的相关长度；
功率谱密度计算单元，用于基于无量纲参考等效功率谱密度所述流场参数(即棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数的流速)和所述相关长度，计算功率谱密度SF(f)；
傅立叶半谱及全谱单元，用于计算功率谱密度SF(f)的傅立叶半谱XH(f)和功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)；
湍流激励力时程计算单元，用于将功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)通过快速傅立叶逆变换IFFT方法把频域的功率谱密度转换到时域上，沿着棒状结构在长度方向上进行积分，得到作用在棒状结构上的湍流激励力时程x(t)；
振动响应单元，将湍流激励力时程x(t)施加到棒状结构上，计算棒状结构由随机湍流激励诱发的振动响应；
分析处理单元，用于根据所述振动响应，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明利用堆内构件棒状结构的湍流激励功率谱密度的相干长度数据库，可以方便地通过快速傅立叶逆变换获得结构上由湍流导致的随机激励力时程。
2、本发明当棒束动力模型为非线性时，本发明可以考虑堆内构件棒状结构包含的间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素，计算棒状结构在横向随机湍流激励下任意位置的结构响应。
3、本发明可以详细评估分析结构改动和运行参数变化对堆内构件棒状结构在湍流激励下诱发振动的影响，为结构优化设计和运行参数调整提供技术支持。
4、本发明所有过程由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算蒸汽发生器传热管湍流激振响应时程分析所需的时间历程输入。
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为本发明基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法的流程图；
图2为本发明实施例中的导向筒模型示意图；
图3为本发明实施例中反应堆压力容器进出口水平切面上的速度云图；
图4为本发明实施例中功率谱密度SF(f)；
图5为本发明实施例中湍流激励力时程及对应的原始PSD和计算PSD曲线；
图6为本发明实施例中导向筒在随机湍流激励下的位移均方根值和最大值；
图7为本发明实施例中导向筒在随机湍流激励下的位移时程及其频谱图；
图8为本发明实施例中导向筒在随机湍流激励下的位移分布直方图；
图9为本发明实施例中导向筒在随机湍流激励下的剪力均方根值和最大值；
图10为本发明实施例中导向筒在随机湍流激励下的剪力时程及其频谱图；
图11为本发明实施例中导向筒在随机湍流激励下的剪力分布直方图；
图12为本发明基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析装置结构图。
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
如图1所示，图1为本发明基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法。在核反应堆中，存在导向筒、支承柱和燃料棒等大量棒状结构的部件。本实施例取导向筒为研究对象，模型示意图见图2。导向筒包括上部导向筒、下部导向筒、导向板和开口销等。本发明实施例中用到的模型参数列于表1。
表1模型参数
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| 弹性模量E，Pa | 1.8011 | 反应堆冷却剂密度ρ，kg/m3 | 1000 |
| 导向筒外径D，m | 0.2274 | 节距，m | 0.4307 |
| 上部导向管长L1，m | 1.5845 | 下部导向管长L2 | 2.4663 |
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。基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法的实施步骤如下：
S10，利用计算流体动力学软件对堆内构件三维流场进行定常分析，获得棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数(速度分布)，反应堆压力容器进出口水平切面上的速度云图见图3。其中，所述流场参数包括棒外流体的密度和流速。
S20，根据棒状结构的结构参数和所述流场参数(速度分布)，利用相关长度数据库通过插值获得具体结构参数下的相关长度；其中，所述棒状结构的结构参数包括棒状结构的几何尺寸、材料特性、支撑形式、各阶振型与频率。
S30，根据说明书内容中的公式(1)～公式(4)确定无量纲等效参考功率谱密度基于无量纲参考等效功率谱密度/>所述流场参数(即棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数的流速)和所述相关长度，确定功率谱密度SF(f)，如图4所示，图4的横坐标为频率Frequency，纵坐标为功率谱密度SF(f)。
S40，根据Parseval定理，计算得到功率谱密度SF(f)的傅立叶半谱XH(f)。
S50，基于一组随机相位，得到功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)。
S60，将功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)通过快速傅立叶逆变换IFFT方法把频域的功率谱密度转换到时域上，沿着棒状结构在长度方向上进行积分，得到作用在棒状结构上的湍流激励力时程x(t)；如图5所示，图5为湍流激励力时程及对应的原始PSD和计算PSD曲线，图5上半部分的横坐标为频率Frequency，纵坐标为功率谱密度SF(f)；图5下半部分的横坐标为时间，纵坐标为湍流激励力。
S70，将湍流激励力时程x(t)施加到棒状结构上，计算棒状结构由随机湍流激励诱发的振动响应；
S80，输出结果，进行分析处理，得到并查看节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。导向筒在随机湍流激励下的位移均方根值和最大值见图6，位移时程及其频谱图见图7，位移分布的直方图见图8；剪力均方根值和最大值见图9，剪力时程及其频谱图见图10，剪力分布的直方图见图11。通过分析可知，导向筒中部由随机湍流激励诱发导致的位移最大值为117.2μm，与现场实测的56μm在同一量级，并且计算值能够包络实测值，裕量合理。
在实际应用中，商用有限元软件为：ANSYS，数值计算软件为：MATLAB。
本发明基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，基于本发明提供的湍流激励功率谱密度的相关长度数据库，可以方便地通过快速傅立叶逆变换获得结构上由湍流导致的随机激励力时程。当棒束动力模型为非线性时，本发明可以考虑堆内构件棒状结构包含的间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素，计算棒状结构在横向随机湍流激励下任意位置的结构响应。基于MATLAB和ANSYS平台APDL语言编制了处理程序，可以便捷、准确、高效地评估在结构局部改进或者运行参数变化对棒状结构随机湍流激励振动响应的影响，为结构优化设计和运行参数调整提供技术支持。
本发明方法适用于单相流中在横向流激励下的结构，且该方法用于反应堆堆内构件的流致振动分析。
实施例2
如图12所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析装置，该装置包括：
获取单元，用于获取堆内构件棒状结构的结构参数和棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数；
相关长度计算单元，用于根据所述棒状结构的结构参数和所述流场参数，利用相关长度数据库通过插值获得具体结构参数下的相关长度；
功率谱密度计算单元，用于基于无量纲参考等效功率谱密度所述流场参数(即棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数的流速)和所述相关长度，计算功率谱密度SF(f)；
傅立叶半谱及全谱单元，用于计算功率谱密度SF(f)的傅立叶半谱XH(f)和功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)；
湍流激励力时程计算单元，用于将功率谱密度SF(f)的傅立叶全谱X(f)通过快速傅立叶逆变换IFFT方法把频域的功率谱密度转换到时域上，沿着棒状结构在长度方向上进行积分，得到作用在棒状结构上的湍流激励力时程x(t)；
振动响应单元，将湍流激励力时程x(t)施加到棒状结构上，计算棒状结构由随机湍流激励诱发的振动响应；
分析处理单元，用于根据所述振动响应，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
各个单元的执行过程按照实施例1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
本发明方法及装置具有如下创新点：(1)利用本发明提供的堆内构件棒状结构的湍流激励功率谱密度的相干长度数据库，可以方便地通过快速傅立叶逆变换获得结构上由湍流导致的随机激励力时程。(2)当棒束动力模型为非线性时，本发明可以考虑堆内构件棒状结构包含的间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素，计算棒状结构在横向随机湍流激励下任意位置的结构响应。(3)本发明可以详细评估分析结构改动和运行参数变化对堆内构件棒状结构在湍流激励下诱发振动的影响，为结构优化设计和运行参数调整提供技术支持。(4)本发明所有过程由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算蒸汽发生器传热管湍流激振响应时程分析所需的时间历程输入。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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.基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，该方法包括：
获取堆内构件棒状结构的结构参数和棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数；
根据所述棒状结构的结构参数和所述流场参数，利用相关长度数据库通过插值获得具体结构参数下的相关长度；
基于无量纲参考等效功率谱密度、所述流场参数和所述相关长度，计算功率谱密度；
计算功率谱密度的傅立叶半谱和功率谱密度的傅立叶全谱；
将功率谱密度的傅立叶全谱通过快速傅立叶逆变换方法把频域的功率谱密度转换到时域上，沿着棒状结构在长度方向上进行积分，得到作用在棒状结构上的湍流激励力时程；
将湍流激励力时程施加到棒状结构上，计算棒状结构由随机湍流激励诱发的振动响应；
根据所述振动响应，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
2.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，所述的获取棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数，是利用计算流体动力学软件对堆内构件三维流场进行定常分析，获得棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数。
3.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，所述棒状结构的结构参数包括棒状结构的几何尺寸、材料特性、支撑形式、各阶振型与频率。
4.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，所述流场参数包括棒外流体的密度和流速。
5.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，基于无量纲参考等效功率谱密度、所述流场参数和所述相关长度，计算功率谱密度；采用的公式如下：
其中：
当0.01≤fR＜0.5时，
当fR＞0.5时，
fR＝f/f0；
f0＝Up/D；
式中，fR为折合频率，f0和p0为归一化因子，f0用于缩比频率，p0用于缩比压力，Up为间隙流速，λc为相关长度，ρ为反应堆冷却剂密度，为无量纲参考等效功率谱密度，SF(f)为功率谱密度，D为棒状结构的外径。
6.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，所述的计算功率谱密度的傅立叶半谱和功率谱密度的傅立叶全谱；具体包括：
根据Parseval定理，计算得到功率谱密度的傅立叶半谱；
生成一组随机相位，计算功率谱密度的傅立叶全谱；
其中，
式中，SF(f)为功率谱密度，N为采样点数，Fs为采样频率，X(f)为功率谱密度的傅立叶全谱。
7.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，所述的根据所述振动响应，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线；具体包括：
当棒束动力模型为非线性时，考虑堆内构件棒状结构包含的间隙、碰撞和摩擦多种非线性因素，计算棒状结构在横向随机湍流激励下任意位置的结构响应；
计算得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
8.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，该方法适用于单相流中在横向流激励下的结构。
9.根据权利要求1所述的基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析方法，其特征在于，该方法用于反应堆堆内构件的流致振动分析。
10.基于瞬态分析的堆内棒状结构湍流激振分析装置，其特征在于，该装置包括：
获取单元，用于获取堆内构件棒状结构的结构参数和棒状结构在反应堆三维流场中的流场参数；
相关长度计算单元，用于根据所述棒状结构的结构参数和所述流场参数，利用相关长度数据库通过插值获得具体结构参数下的相关长度；
功率谱密度计算单元，用于基于无量纲参考等效功率谱密度、所述流场参数和所述相关长度，计算功率谱密度；
傅立叶半谱及全谱单元，用于计算功率谱密度的傅立叶半谱和功率谱密度的傅立叶全谱；
湍流激励力时程计算单元，用于将功率谱密度的傅立叶全谱通过快速傅立叶逆变换方法把频域的功率谱密度转换到时域上，沿着棒状结构在长度方向上进行积分，得到作用在棒状结构上的湍流激励力时程；
振动响应单元，将湍流激励力时程x(t)施加到棒状结构上，计算棒状结构由随机湍流激励诱发的振动响应；
分析处理单元，用于根据所述振动响应，进行分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值以及响应的时程曲线。
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| 齐欢欢等.压水堆燃料棒湍流激励流致振动响应计算方法研究.机械工程师.2018,第2018年卷(第9期),148-151. * |
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