CN114279733B - 研究浮动核电平台动力学响应的试验装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

研究浮动核电平台动力学响应的试验装置、方法及应用，包括：缩比浮动核电平台，试验水池，振动板，单轴向液压式振动试验系统，姿态角度传感器等；缩比浮动核电平台设置在实验水池中间位置；振动板固定在单轴向液压式振动试验系统的振动台上，振动板将单轴向液压式振动试验系统产生的振动传递到实验水池内部；单轴向液压式振动试验系统用于提供试验所需波浪条件；姿态角度传感器用于采集缩比浮动核电平台六自由度响应参数。本发明可以测量浮动核电平台无因次衰减系数，同时能够确定缩比浮动核电平台模型不同重心、不同质量和不同布置方式对浮动核电平台效果的影响，同时可提供不同频率、幅值的波浪为浮动核电平台的设计提供支持和依据。

Description

研究浮动核电平台动力学响应的试验装置、方法及应用

技术领域

本发明涉及浮动核电平台领域，具体涉及一种研究浮动核电平台动力学响应的试验装置、方法及应用。

背景技术

随着我国海洋经济的逐步发展及国家海权维护的需要，我国对海上能源供给的需求日渐强烈。海洋浮动核电平台具有灵活性、机动性以及核能的清洁高效性，可广泛用于岛礁开发和海洋资源开采，是为海洋开发提供能源保障的一种优良的解决方案。目前，国内已有多家研究机构和企业开始设计多种型号的浮动核电厂。近年来，严重威胁核电厂安全稳定运行的外部灾害时有发生，引发了核电业界的强烈关注。世界核电运营者和组织在福岛核事故后也为了适应国际核安全形势，在同行评估活动中增加了一项设计信息审查科目，重点审查核电厂外部灾害设计的应对能力。浮动核电厂的设计研发通常以陆上核电厂为基础，对其进行小型化、船载化和海洋环境适应性改进，应用的外部灾害设计方法通常也参考了陆上核电厂的方法。但是，浮动核电厂面临的外部环境与陆上核电厂有很大的不同。浮动核电厂虽然可以有效规避地震等外部灾害，但是也存在一些影响安全稳定运行的特有外部灾害。海水是浮动核电厂的载体，海浪是浮动核电厂最为重要的海洋环境条件，海浪灾害也是对浮动核电厂影响最为重要的外部灾害之一。

我们一般通过两种方法来预测浮动核电平台在波浪中的运动性能和波浪载荷，一种方法是进行水池试验，另一种方法是利用发展的理论和数值方法。一般的水池试验需要将缩比模型放置在大型风浪流水池中进行试验，试验一旦失败便意味着已经消耗大量资源以及成本，且试验不可轻易复现。(焦甲龙.实际海浪环境中舰船大尺度模型运动与载荷响应试验研究[D].哈尔滨工程大学,2016.)在该文献中，作者焦甲龙使用大尺度模型进行试验，而在没有大型摇曳水池的前提下实行该实验造价是非常昂贵的，而且建造工期也会非常长，在制造试验所需风浪环境的时候会非常困难。浮动核电平台在实际海况中遭遇到的都是不规则波，这种不规则波通常有随机性，所以应该采取数学理论中概率和随机理论的方法来计算平台的波浪诱导载荷。受到海洋环境的影响，浮动核电平台会产生多种复杂的运动方式，而在这些方式中以横摇运动对平台的影响最大。当平台发生大幅度横摇运动时，会破坏平台所搭载的设备或影响设备的正常运行，严重时还会引起倾覆事故的发生。因此研究平台横摇运动状态一直是关注的重点。通过求解运动方程便可以对平台动力学响应进行分析，其中无因次衰减系数表征了阻尼、惯性和回复力矩对横摇的影响，系数越大，自由横摇衰减越快，规则波中的频率响应函数就越小，其对谐摇区的影响最为显著。无因次衰减系数的选取对求解结果有很大影响，所以平台无因次衰减系数的精确与否，将直接影响对平台的运动。本平台将铅冷快堆作为重要的备选堆型，具有体积小，灵活性高的优势。但浮动核电站的工作条件更为恶劣，如地震、海啸等。在极端条件下，铅堆主容器内的液体晃动会影响容器本体及反应堆内部构件的振动，可能导致主容器的支承结构损坏，因此我们同样需要对内部结构力学响应了如指掌。

此外，现有技术，诸如申请号：CN200810036552.2，公开号：CN101261178A公开一种主动式海洋平台混合模型试验装置，其中：海洋平台模型通过拉力传感器和系泊缆模型相连，系泊缆模型下端固接于滑块，滑块位于丝杆上面，丝杆和伺服电机固接，水密装置位于伺服电机、丝杆和滑块的外面，且置于水池底部，运动控制卡连接到计算机，非接触式光学测量系统连接数据自动采集卡及计算机实时分析模块，拉力传感器设置在海洋平台模型和锚泊线模型上端之间，拉力传感器连接到应变放大器，应变放大器连接到数据自动采集卡及计算机实时分析模块。然而，该现有技术并不能测量不同浮动平台无因次衰减系数以及多种外因对浮动平台的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置以及试验方法，可以测量浮动核电平台无因次衰减系数，同时能够确定缩比浮动核电平台模型不同重心、不同质量和不同布置方式对浮动核电平台效果的影响，同时可提供不同频率、幅值的波浪为浮动核电平台的设计提供支持和依据。

用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置，该装置用于研究浮动核电平台动力学响应，包括：缩比浮动核电平台、系泊缆绳、试验水池、振动板、单轴向液压式振动试验系统、姿态角度传感器、拉力传感器、装有无线压强传感器的平台内压力容器模型，悬挂式液位计，其特征为：

所述实验水池中间位置设有圆筒型缩比浮动核电平台，所述单轴向液压式振动试验系统用于提供试验所需波浪条件；所述振动板固定在单轴向液压式振动试验系统的振动台上，振动板将单轴向液压式振动试验系统产生的振动传递到水池内部；所述姿态角度传感器放置于缩比浮动核电平台的顶部中心处，用于采集缩比浮动核电平台六自由度响应加速度和摆动角度的时历曲线；所述拉力传感器与系泊缆绳串联，用于测量在缩比浮动核电平台运动时系泊缆绳上的拉力大小；装有无线压强传感器的平台内压力容器模型固定在平台模型底部中心处，用于模拟海洋环境下压力容器的运动；所述悬挂式液位计固定在水箱顶部，通过信号线将液位计本体悬挂在水箱底部，用于测量经过液位计上方的液位时历曲线。

优选为：所述缩比浮动核电平台为小型铅堆的浮动核电平台缩比模型，在该模型上布置了不同高度与不同质量的砝码和内部构件模型。

优选为：所述实验水池为一个小型波浪流尺寸水池，固定了可测量出对缩比浮动核电平台有影响的真实波浪的波形与波幅的波高仪，通过波高仪测量影响平台运动的波浪的波形与波幅，并且通过波高仪可对实验预期输入参数进行校正与记录。

优选为：所述系泊缆绳选用直径为2mm尼龙绳模拟系泊系统，缩比浮动核电平台通过该尼龙绳与水池进行固定，尼龙绳在静水状态下并无明显应力。

本发明还公开一种用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置的实验方法,包括如下步骤：

步骤1：缩比浮动核电平台模型进行相似性分析并建模，确定不同方式布置的重心，质量，惯性力矩大小关系以制定布置结构；

步骤2：布置模型并将模型放入注水的水池中，并在模型压力容器模型中加入适量汞，模拟液态金属冷却剂，最终使平台模型漂浮在水中；

步骤3：用细绳模拟系泊缆绳将缩比浮动核电平台模型与水池进行连接，使细绳自然漂浮，缩比浮动核电平台模型处于平衡状态；使缩比浮动核电平台模型横倾至角度φ；

步骤4：释放缩比浮动核电平台模型，使用传感器记录模型在整个横摇运动过程中的时历曲线；

步骤5：改变角度φ的大小，重复步骤3、步骤4；

步骤6：重新使缩比浮动核电平台模型处于平衡状态；通过单轴向液压式振动试验系统使振动板以预计的波形进行振动；

步骤7：记录不同频率下平台六自由度的响应、压力容器模型底部压强和系泊缆张力；

步骤8：修改波形，重复步骤6、步骤7,使用不同的波浪进行试验，得到更多的结果；

步骤9：改变缩比浮动核电平台模型配重或者砝码和内部构件模型的布置重复试验步骤2-步骤8。

本发明还公开一种将上述用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置的实验方法所得到的结果应用于海上浮动核电厂的设计中。

有益效果

通过相似性分析的方法使用小比例的比例模型，在保证试验精度和可靠性的同时极大的提高了试验空间的利用率以及降低了实验经济成本与时间成本，解决了试验成本高、试验难以复现的问题；将单轴向液压式振动试验系统中的振动台作为激励装置配合振动板的使用将振动台的激励转化为试验所需的环境条件且可控制可调节，为缩比平台能够在小型耐波水池进行试验提供设备支撑，解决了拥有振动台却无造波机的实验室无法进行试验的问题；通过调节圆筒型模拟平台的内部构件缩比模型和配重砝码二者的数量和布局可以模拟不同情况下整体模型的重心和布局，达到了一个主体试验模型用于做多种试验的目的；通过比较压力容器内压力结果和液位计的测量数据进行分析可求得平台外部激励同内部响应的一种关系；通过对试验测得的数据进行分析处理可求得无因子衰减系数，可为进一步仿真模拟提供参考。

附图说明

图1为本发明浮动核电平台动力学响应的试验装置示意图。

图2为本发明静水中的自由横摇衰减曲线。

图3为本发明某工况下横摇时历曲线。

1-缩比浮动核电平台，2-系泊缆绳，3-试验水池，4-振动板，5-单轴向液压式振动试验系统，6-姿态角度传感器，7-拉力传感器,8-装有无线压强传感器的平台内压力容器模型，9-悬挂式液位计。

具体实施方式

用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置，该装置用于研究浮动核电平台动力学响应，包括：缩比浮动核电平台1，系泊缆绳2，试验水池3，振动板4，单轴向液压式振动试验系统5，姿态角度传感器6，拉力传感器7，装有无线压强传感器的平台内压力容器模型8，悬挂式液位计9，其特征为：所述实验水池3中间位置设有圆筒型缩比浮动核电平台1；所述单轴向液压式振动试验系统5用于提供试验所需波浪条件；所述振动板4固定在单轴向液压式振动试验系统5的振动台上，振动板将单轴向液压式振动试验系统5产生的振动传递到水池内部；所述姿态角度传感器6放置于缩比浮动核电平台1的顶部中心处，用于采集缩比浮动核电平台六自由度响应参数；所述拉力传感器与系泊缆绳2串联，用于测量在缩比浮动核电平台1运动时系泊缆绳2上的拉力大小；所述压力容器模型8固定在平台模型底部中心处，用于模拟海洋环境下压力容器的运动；所述悬挂式液位计固定在水箱顶部，通过信号线将液位计本体悬挂在水箱底部，用于测量经过液位计上方的液位时历曲线；所述缩比浮动核电平台1为小型铅堆的浮动核电平台缩比模型，在该模型上布置了不同高度与不同质量的砝码和内部构件模型；所述实验水池为一个小型波浪流尺寸水池，固定了可测量出对缩比浮动核电平台1有影响的真实波浪的波形与波幅的波高仪，通过波高仪可对实验预期输入参数进行校正与记录；所述系泊缆绳2选用直径为2mm尼龙绳模拟系泊系统，缩比浮动核电平台1通过该尼龙绳与水池进行固定，尼龙绳在静水状态下并无明显应力。

基于上述用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置，本发明还公开一种用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1：缩比浮动核电平台模型进行相似性分析并建模，确定不同方式布置的重心，质量，惯性力矩大小关系以制定布置结构。

相似性分析：

在运动相似的条件下，作用在实际平台与缩比浮动核电平台模型对应点上的某种力的比值相同，即：

式中，下角标m和s分别代表水池环境和海洋环境，F为平台与模型对应点上的力。这个条件称为模型与实际平台动力相似。

动力相似包括粘性力相似(雷诺数Re)、重力相似(弗劳德数Fr)和惯性力相似(斯特劳哈数St):

其中：ν是运动粘度系数，L和v代表模型的的特征线长度和速度，g是重力加速度。t是时间常数，例如，对横摇可以取横摇固有周期。

动力实验主要研究浮体在风、浪、流作用下的运动和受力、重力和惯性力是决定其受力的主要因素。因此，模型试验应满足弗劳德相似准则，及模型和实体的弗劳德数(Fr)相等，以保证模型和实体之间的重力和惯性力的正确相似关系：

平台在波浪下的运动和受力带有周期性变化的性质，其摇荡是一非定常运动,所以还应满足非定常流动的相似条件,即斯特罗哈数(Sr)相等。

式中：t-时间间隔或摇荡周期。

由上面的式子可引出如下关系式：

式中：λ为缩放比例

进而得到：

H_m＝H_s/λ

式中：H为有义波高；T为特征周期

由于水池试验和实体在海水的作业所处环境存在差异，若不忽略水的密度差异，则需要对密度进行修正，设海水与淡水密度之比为γ，γ＝1.025。

在力学相似条件下，不忽略水的密度差异，可以得到缩比浮动核电平台模型与实际浮动平台之质量、力、静力矩和惯性力矩等的关系：

质量关系：

式中：

Δ为质量、ρ_s为海水的密度、ρ_m为水的密度、V为排水体积

质量、惯性力矩关系：

根据上述相似性分析得出的浮动海洋平台和缩比浮动核电平台模型的相似量比值如表1所示：

表1浮动海洋平台和模型的相似量比值

假设线性尺度为1∶100，平台原型最大直径为40m，按照表中比例推导模型最大直径为400mm，模型的固有周期为原型的1/10。根据相似分析结果以及试验所需模型的质量等参数进而确定缩比模型的布局。

步骤2：布置模型并将模型放入注水的水池中，并在压力容器模型8中加入适量汞，使其漂浮在水中。

将配重砝码、内部构件模型(包括构件8)和姿态角度传感器按照步骤1所确定的布局配置平台模型，放在水池中；将振动板通过螺栓固定在单轴向液压式振动试验系统上，挡板部分悬挂在水池中；将悬挂式液位计9固定在水池上。向水池中注水，并辅助模型自然上升，在压力容器模型中加入汞，用以模拟压力容器内铅冷液体，最终使平台漂浮。

步骤3：用细绳模拟系泊缆绳将模型与水池进行连接，使细绳自然漂浮，模型处于平衡状态；使平台模型横倾至角度φ：

将拉力传感器固定在水池底部，通过2mm尼龙绳将传感器和模型进行连接，使平台处于平衡状态，按照实验计划将平台模型倾斜到指定角度φ。

步骤4：释放缩比浮动核电平台模型，使用传感器记录模型在整个横摇运动过程中的时历曲线；

释放缩比浮动核电平台模型时，模型会开始摇摆，其摇摆频率与幅值会随着时间变化而变化，可以通过步骤2、步骤3在水池中布置的姿态角度传感器和拉力传感器记录整个运动过程中六自由度位移和角位移和细绳上的拉力；

根据步骤4中所测得的平台六自由度响应，如模型的横摇时历曲线，加上以下推导可求解无因次衰减系数：

浮体自由横摇的运动方程：

式中：

φ分别为横摇的角加速度、角速度和角位移；

I′_xx为浮体的横摇总惯性矩(包括附加惯性矩)；

N为横摇阻尼力矩系数；

D为排水重量；

h_T为横稳性高。

令

则：

其通解：

φ＝e^-vt[C₁cosω_φ′t+C₂sinω_φ′t]

式中：

假定t＝0时：φ＝φ_A0,φ＝0，则

因此：

其中：

为横摇衰减系数，

为横摇的固有频率。令

称为横摇的无因次衰减系数。

在一般衰减规律下，静水中自由横摇衰减曲线如图2所示。

由曲线可以得出

其中φ_An＞φ_An+1

式中：φ_An和φ_An+1分别为第n和第n+1个峰值和谷值。

以其中一种倾斜情况为例，通过姿态角度传感器的得到的横摇时历曲线如图3所示。

根据图3波形所示，取各个波峰的最值为φ_An

表2某工况下横摇时历曲线峰谷值

根据公式

有：

表3无因次衰减系数

步骤5：改变角度φ的大小，重复步骤3、步骤4；

步骤6：重新使模型处于平衡状态；通过单轴向液压式振动试验系统使振动板以预计的波形进行振动；

令平台重新处于平衡状态，按照试验内容，通过单轴向液压式振动试验系统的振动使振动板开始振动，振动板的振动将会按照固定的频率与速度推动水池内水的运动，以达到试验目的。

步骤7：记录不同频率下平台六自由度的响应、压力容器模型底部压强和系泊缆张力；

提取传感器参数，制作动力学响应时历曲线。在步骤6的激励下，通过步骤2、步骤3布置的传感器记录试验数据(横摇、纵摇、艏摆、纵荡、横荡、垂荡的响应时历曲线、压力容器模型底部压强时历曲线和细绳上的张力)。

液面下压强关系式为：

P＝ρgH

式中：P为传感器位置压强，ρ为水的密度，g为重力加速度，H为液面到传感器高度。

根据压强表达式可以推出液位的表达式：

故可根据步骤7中测量的压强时历曲线转换为液位的时历曲线，即容器内响应曲线。根据一阶曲线拟合可得到该频率下的响应幅值，定义为A₂。

将步骤2中所布置的液位计9测量得到的波浪时历曲线经过一阶曲线拟合可得到一种频率下的响应幅值，定义为A₁。

则波浪晃动传递因子T_(ω)为:

T为波浪晃动传递因子，下标ω表示为试验条件下的频率。

以频率为1Hz情况为例，取一段数据如下表所示：

通过matlab对数据进行拟合分析得到H₁、H₂的拟合曲线的曲线方程如下所示：

H₁＝0.01079*sin(3.17t-0.03925)

H₂＝0.014*sin(6.284t+1.588)

故A₁、A₂的取值分别为0.01079、0.014

所以在1Hz的条件下

通过对不同频率下的波浪晃动传递因子求解可以获得该因子随频率的变化关系。

步骤8：修改波形，重复步骤6、步骤7；

按照试验计划，使用不同的波浪进行试验，得到更多的结果。

步骤9：改变模型配重或者砝码和内部构件模型的布置重复试验步骤2-步骤8。

更换砝码和内部构件模型的布置，模拟其他情况的平台布局，进行试验。

根据本发明提供的一种研究用于测量浮动核电平台动力学响应装置和方法，通过砝码和内部构件模型配重、位置以及改变模型吃水深度进行试验，能够确定不同重心、不同质量和不同布局对浮动核电平台效果的影响，为浮动核电平台的设计提供支持和依据，区别于在大型风浪流试验水池中进行的试验，本方案可以有效解决搭建试验台架困难和制造预设波浪困难的问题，而且本设备有很大拓展空间可以增加不同传感器用以测量其他水动力参数。

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 (2)

1.用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置，该装置用于研究浮动核电平台动力学响应，包括：缩比浮动核电平台、系泊缆绳、试验水池、振动板、单轴向液压式振动试验系统、姿态角度传感器、拉力传感器、装有无线压强传感器的平台内压力容器模型，悬挂式液位计，其特征为：

所述试验水池中间位置设有圆筒型缩比浮动核电平台，所述单轴向液压式振动试验系统用于提供试验所需波浪条件；

所述振动板固定在单轴向液压式振动试验系统的振动台上，振动板将单轴向液压式振动试验系统产生的振动传递到水池内部；

所述姿态角度传感器放置于缩比浮动核电平台的顶部中心处，用于采集缩比浮动核电平台六自由度响应加速度和摆动角度的时历曲线；

所述拉力传感器与系泊缆绳串联，用于测量在缩比浮动核电平台运动时系泊缆绳上的拉力大小；

装有无线压强传感器的平台内压力容器模型固定在平台模型底部中心处，用于模拟海洋环境下压力容器的运动；

所述悬挂式液位计固定在水箱顶部，通过信号线将液位计本体悬挂在水箱底部，用于测量经过液位计上方的液位时历曲线；所述缩比浮动核电平台为小型铅堆的浮动核电平台缩比模型，在该模型上布置了不同高度与不同质量的砝码和内部构件模型；所述试验水池为一个小型波浪流尺寸水池，固定了可测量出对缩比浮动核电平台有影响的真实波浪的波形与波幅的波高仪，通过波高仪可对实验预期输入参数进行校正与记录；所述系泊缆绳选用直径为2mm尼龙绳模拟系泊系统，所述缩比浮动核电平台通过该尼龙绳与实验水池进行固定，系泊缆绳在静水状态下并无明显应力。

2.一种用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置的实验方法，包括权利要求1所述的用于研究浮动核电平台动力学响应的试验装置，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：缩比浮动核电平台模型进行相似性分析并建模，确定不同方式布置的重心，质量，惯性力矩大小关系以制定布置结构；

步骤2：布置模型并将模型放入注水的水池中，并在模型压力容器模型中加入适量汞，模拟液态金属冷却剂，最终使平台模型漂浮在水中；

步骤3：用细绳模拟系泊缆绳将缩比浮动核电平台模型与水池进行连接，使细绳自然漂浮，缩比浮动核电平台模型处于平衡状态；使缩比浮动核电平台模型横倾至角度φ；

步骤4：释放缩比浮动核电平台模型，使用传感器记录模型在整个横摇运动过程中的时历曲线；释放缩比浮动核电平台模型时，模型会开始摇摆，其摇摆频率与幅值会随着时间变化而变化，通过步骤2、步骤3在水池中布置的姿态角度传感器和拉力传感器记录整个运动过程中六自由度位移和角位移和细绳上的拉力；

步骤5：改变角度φ的大小，重复步骤3、步骤4；

步骤6：重新使缩比浮动核电平台模型处于平衡状态；通过单轴向液压式振动试验系统使振动板以预计的波形进行振动；

步骤7：记录不同频率下平台六自由度的响应、压力容器模型底部压强和系泊缆张力；

步骤8：修改波形，重复步骤6、步骤7,使用不同的波浪进行试验，得到更多的结果；提取传感器参数，制作动力学响应时历曲线；

步骤9：改变缩比浮动核电平台模型配重或者砝码和内部构件模型的布置重复试验步骤2-步骤8。

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