CN115114872A - 一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统，涉及核动力装置结构力学领域，其技术方案要点是：根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。本发明降低理论模型在实际应用时对于试验数据的过度依赖，同时避免复杂管束流固耦合模拟对海量计算资源的需求，提高分析设计的精度和研发效率，缓解模型的复杂性和易分析、易设计性之间的矛盾。

Description

一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统
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，它涉及一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统。
背景技术
传热管束是蒸汽发生器(SG)的核心部件，容易发生流致振动问题。SG作为核电站核岛内关键设备之一，对核电站的安全性和经济性至关重要，压水堆核电站通常采用立式自然循环式蒸汽发生器，直立式倒U形传热管束是其核心部件，是隔离放射性冷却剂面积最大且最薄弱的压力边界，由于其数量多、结构弱、管内压力高，极易发生由流体诱发的管束结构振动(流致振动)现象，引起管束的疲劳、碰撞及磨损等问题，据统计，核电站的非计划停堆中约有1/4是由传热管失效导致的。
流弹失稳是最具破坏性的流致振动机理，在实际工程中必须避免发生这种现象。当发生流弹失稳时，管子振幅在短时间内急剧增大，导致SG损坏，鉴于此，在任何情况下都必须避免出现这种现象。针对管束结构的流弹失稳，Connors、Paidoussis、Chen、Weaver等学者基于不同的假设，分别提出了准静力模型、准稳态模型、非稳态模型和流管模型，其中，前三种模型称为半经验模型，后一种模型称为半解析模型。长期以来，半经验模型中的众多参数需要由试验确定，大量的试验参数使得这些半经验理论模型在实际应用时受到很大限制。半解析模型中的关键参数如面积扰动、速度扰动、压力扰动、相位滞后、分离角和附着角等均是基于定性的流动可视化研究和假定，缺乏能定量刻画和表征的通用模型。
在没有经验数据的情况下详细描述流动的最佳途经是采用CFD(计算流体力学)，现有大量工作主要针对各种排列形式的圆管(管束)，采用二维或三维流场中耦合管运动的方法来研究流动现象、临界流速等，但考虑到真实管束结构及其众多可能的排列形状，使得仿真计算量大，目前这种方法仅限于非常简单几何结构的数值模拟。此外，现有理论模型严重依赖于试验参数，制约了其工程应用与推广；流体惯性系数、流体阻尼系数、流体刚度系数等与结构运动相关的流体力相关系数无法得到理论解；半解析模型中的相位滞后、流管边界等关键参数均是基于定性的流动可视化和假定，缺乏合适的定量表征方法；目前还没有一个全面、通用、可靠的数值研究来预测这些理论模型中的全套流体力相关参数。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法及系统，通过仿真数据驱动的方式计算管束流弹失稳理论模型中众多参数的辨识方法，降低理论模型在实际应用时对于试验数据的过度依赖，同时避免复杂管束流固耦合模拟对海量计算资源的需求，提高分析设计的精度和研发效率，缓解模型的复杂性和易分析、易设计性之间的矛盾，为管束类设备的流弹失稳预测提供一种更为准确和实用的通用分析方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，包括以下步骤：
根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；
依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；
其中，预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。
进一步的，若管束流弹失稳预测属于第一预设范围，则：建立目标管在不同偏移量下的管束流场分析模型；利用CFD数值模拟计算获得目标管的流体力系数，绘制流体力系数的各种统计值与目标管偏移量的函数曲线，并通过曲线拟合计算出空间导数；计算流体力，并通过迭代求解得到临界流速；
若管束流弹失稳预测属于第二预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟获得目标管的升力系数与阻力系数，并进行快速傅里叶变换获取流体力的幅值和相位；计算流体力相关系数和流体力；将流体力与管子振动方程联立，组装形成系统的矩阵方程，求解矩阵方程的特征值后计算临界流速；
若管束流弹失稳预测属于第三预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟，以固定采样频率采集不同流速下的瞬时流场；利用流场数据和图像处理技术提取流管边界，在识别出的流管内布置监测点以获取速度脉动绘制相位滞后与流速、曲线坐标的函数曲线，通过曲线拟合建立相位滞后的数学模型；依据相位滞后函数计算流体力，通过迭代求解计算出临界流速。
进一步的，所述建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型的过程具体为：
改变目标管的位置，使得在横向、流向的空间上具有一系列的偏移量，分别建立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、边界条件后得到流场分析模型，开展计算，采集目标管的升力系数和阻力系数。
进一步的，所述建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型的过程具体为：
根据管束的结构特征建立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、边界条件后得到流场分析模型；
将目标管的运动方程与CFD流场求解耦合后得到流致振动分析模型。
进一步的，所述结构特征包括几何尺寸、管束排列形式、管束节径比和固有频率。
进一步的，所述流管边界提取的具体过程为：
使目标管按特定的振动频率作强迫振动，并对流域进行瞬态分析，提取1个周期内的速度场云图；
将输入图像进行二值化处理，以平均流速的10％作为阈值，将低于阈值的部分数据剔除；
根据图像的像素尺度和真实管束几何尺寸，将像素转化为实际长度，获得流道边界和面积。
进一步的，所述相位滞后通过互相关函数法计算得到。
第二方面，提供了一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识系统，包括：
模型判断模块，用于根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；
模拟分析模块，用于依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；
其中，预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，结合各流弹失稳理论模型的特点，通过理论推导建立起其中所需辨识的关键输入参数的数学模型、计算方法与流程。
2、本发明形成了通过理论推导和CFD数值模拟计算众多流体力相关参数的分析方法，降低了理论模型在实际应用时对试验数据的过度依赖，避免复杂管束流固耦合模拟对海量计算资源的需求；
3、本发明提出了利用瞬时流场数据和图像处理技术提取流道特征的定量表征方法，克服了现有模型中关键参数的物理数学模型均基于定性研究和相关假定的不足，形成了能定量刻画和表征关键参数的通用模型；
4、本发明结合了物理数学模型的严谨性和CFD计算可考虑实际结构动力学特征的优点，提高了分析设计的精度和研发效率，为管束类设备的流弹失稳预测提供一种更为准确和实用的通用分析方法。
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整体流程图；
图2是本发明实施例1中的计算流程图；
图3是本发明实施例1中管束几何结构及局部网格细节示意图；
图4是本发明实施例1中流体力系数与目标管偏移量的函数曲线；
图5是本发明实施例1中预测结果及与实验结果的对比示意图；
图6是本发明实施例2中的计算流程图；
图7是本发明实施例2中的管束结构示意图；
图8是本发明实施例2中流体力系数的幅值和相位示意图；
图9是本发明实施例2中的流体力相关参数示意图；
图10是本发明实施例2中的临界流速示意图；
图11是本发明实施例3中的计算流程图；
图12是本发明实施例3中的管束结构示意图；
图13是本发明实施例3中的流道边界示意图；
图14是本发明实施例3中的监测点布置示意图；
图15是本发明实施例3中的相位滞后与流速、曲线坐标的函数曲线；
图16是本发明实施例3中的临界流速示意图。
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。
本发明所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，如图1所示。
实施例1：
选取流弹失稳预测模型为准稳态模型，计算流程如图2所示。
本实施例选择节径比为1.32的正三角形管束，如图3所示，边界层数量为15层，分别建立目标管(深色的管1)在不同偏移量下的流场分析模型(在横向、流向依次偏移0％D、±1％D、±3％D、±5％D、±7％D，D为管子直径)，湍流模拟采用SST模型。
利用CFD分析软件Fluent进行数值模拟，获得目标管的流体力系数，绘制流体力系数与目标管偏移量的函数曲线，如图4所示，通过曲线拟合计算其空间导数列于表2。
表1流体力系数及其空间导数
Figure BDA0003756090510000051
将表2中的流体力系数及其空间导数代入以下公式计算流体力：
Figure BDA0003756090510000052
式中，
Figure BDA0003756090510000053
z分别是目标管的加速度、速度、位移；
Figure BDA0003756090510000054
ρ是流体密度，U∞是自由来流速度，S是管在流体力方向的投影面积；D是管子外径；
Figure BDA0003756090510000055
U是间隙流速；
Figure BDA0003756090510000056
为时间延迟因子，λ为系统特征值，μ取为1；
Figure BDA0003756090510000057
Figure BDA0003756090510000058
CL、CD是通过CFD计算获得的基于自由速度的升阻力系数，CD0、CL0是稳态流体力系数，
Figure BDA0003756090510000059
是CL、CD与管子偏移量的函数，通过曲线拟合计算得到；F0是稳态力，求解该稳定性问题的特征值时不需要考虑。
将流体力代入下列公式，通过迭代求解计算得到临界流速，并与已有实验结果的对比情况如图5所示。通过迭代计算临界流速的公式具体为：
Figure BDA00037560905100000510
式中，
Figure BDA0003756090510000061
m为单位管长质量；zn＝z/D；δ为对数衰减率；
Figure BDA0003756090510000062
ω为圆频率，τ＝ωt，t为时间；a＝U/U∞；[K]＝D[K′]，其他变量含义与前文相同。
实施例2：
选取流弹失稳预测模型为非稳态模型，具体计算流程如图6所示。
本实施例选择节径比为1.33的正方形管束，如图7所示，网格划分方式、湍流模型等设置与实施例1完全相同。
通过Fluent中的UDF(用户自定义函数)给目标管(如图7中深色的管1)施加位移激励，使其以一定的频率和振幅(振幅为10％D)运动，目标管的运动方程表示为：
y(t)＝y0sin(2πft) (3)
式中，y0为管的振幅，f是管的振荡频率。
利用CFD数值模拟，获得不同流速下目标管的升力与阻力系数，并对其进行FFT获取流体力系数的幅值和相位，如图8所示，然后根据以下公式计算流体力相关参数，如图9所示。计算流体力相关系数的公式具体为：
Figure BDA0003756090510000063
Figure BDA0003756090510000064
Figure BDA0003756090510000065
Figure BDA0003756090510000066
式中，cjk、djk、pjk、qjk为流体力幅值，φjk、ψjk、θjk、γjk为流体力与位移间的相位角，通过对采集到的流体力进行FFT计算得到，其他变量含义与前文相同。
将以上流体力相关参数代入以下公式，得到流体力。计算流体力的公式(8)～公式(9)为：
Figure BDA0003756090510000067
Figure BDA0003756090510000071
式中，x、y分别为流向和横向位移，R是管子半径，ρ是流体密度，Ug是间隙流速，其他变量含义与前文相同。
将流体力与管子振动方程联立，组装形成系统的矩阵方程，求解系统矩阵方程的特征值，即可计算得到管束流弹失稳的临界流速，如图10所示。
系统的矩阵方程为公式(10)：
Figure BDA0003756090510000072
其中，[Ms]、[Cs]、[Ks]分别表示管的质量、阻尼和刚度矩阵，[Ma]、[Ca]、[Ka]表示流体的附加质量矩阵、附加阻尼矩阵和附加刚度矩阵，z＝{x,y}′，其他变量含义与前文相同。
实施例3：
选取流弹失稳预测模型为流管模型，具体计算流程如图11所示。
本实施例选择节径比为1.375的平行三角形管束，如图12所示，网格划分方式、湍流模型等设置与实施例1完全相同。
通过Fluent中的UDF(用户自定义函数)给目标管(如图12中深色的管1)施加位移激励，使其以一定的频率和振幅(振幅为10％D)运动，目标管的强迫振动通过以下运动方程表示为：
y(t)＝y0sin(2πft) (11)
式中，y0为管的振幅，f是管的振荡频率，其他变量含义与前文相同。
开展数值模拟，以固定采样频率采集不同流速下1个周期内的速度场云图(100帧)；利用Matlab读入图像并进行二值化处理，以总体流速的10％作为阈值，将低于该值的部分数据剔除，不作为流道；根据图像的像素尺度和真实管束几何尺寸，将像素转化为实际长度，进而获得流道边界，如图13所示。
在识别出的流管内，布置监测点，如图14所示，开展数值模拟，获取速度脉动，绘制相位滞后与流速、曲线坐标的函数曲线，如图15所示，通过曲线拟合建立相位滞后的数学模型：
当
Figure BDA0003756090510000081
时，
Figure BDA0003756090510000082
当
Figure BDA0003756090510000083
时，
Figure BDA0003756090510000084
将以上相位滞后函数代入以下公式得到流体力：
Figure BDA0003756090510000085
Figure BDA0003756090510000086
Figure BDA0003756090510000087
式中，Ur＝U0/ωnl0、t*＝ωt、a*(s,t)＝a(s,t)/D、
Figure BDA0003756090510000088
u*(s,t)＝u(s,t)/U0、s*＝s/D、l0＝2sl、
Figure BDA0003756090510000089
ω为扰动频率、A0为流管面积的平均值、sl是从振动管到压力扰动可以忽略的位置的距离、s是流管曲线坐标、ωn为结构固有频率；
Figure BDA00037560905100000810
a(sm,t)是最小间隙位置的面积扰动，f(s)是人工衰减函数，
Figure BDA00037560905100000811
是相位滞后函数，其他变量含义与前文相同。
如图6所示，通过迭代求解以下公式计算得到临界流速，计算临界流速的公式具体为：
Figure BDA00037560905100000812
式中，
Figure BDA00037560905100000813
为流体力、δ＝2πζ＝πc/(mωn)为对数衰减率，其他变量含义与前文相同。
在本发明所述的实施例中，所述结构参数具体为：所述管束的几何尺寸、管束排列形式、管束节径比、固有频率。
CFD分析软件可使用开源CFD工具OpenFOAM或通用商业CFD软件，所述商用CFD软件有Fluent、CFX等。图像处理、矩阵方程求解、曲线拟合等的可通过数值计算软件MATLAB、FORTRAN、C、MAPLE等实现。
工作原理：本发明结合各流弹失稳理论模型的特点，通过理论推导建立起其中所需辨识的关键输入参数的数学模型和计算方法与流程；形成了通过理论推导和CFD数值模拟计算众多流体力相关参数的分析方法，降低了理论模型在实际应用时对试验数据的过度依赖，避免复杂管束流固耦合模拟对海量计算资源的需求；提出了利用瞬时流场数据和图像处理技术提取流道特征的定量表征方法，克服了现有模型中关键参数的物理数学模型均基于定性研究和相关假定的不足，形成了能定量刻画和表征关键参数的通用模型；结合了物理数学模型的严谨性和CFD计算可考虑实际结构动力学特征的优点，提高分析设计的精度和研发效率，为管束类设备的流弹失稳预测提供一种更为准确和实用的通用分析方法。
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)

1.一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，包括以下步骤：
根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；
依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；
其中，预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。
2.根据权利要求1所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，若管束流弹失稳预测属于第一预设范围，则：建立目标管在不同偏移量下的管束流场分析模型；利用CFD数值模拟计算获得目标管的流体力系数，绘制流体力系数的各种统计值与目标管偏移量的函数曲线，并通过曲线拟合计算出空间导数；计算流体力，并通过迭代求解得到临界流速；
若管束流弹失稳预测属于第二预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟获得目标管的升力系数与阻力系数，并进行快速傅里叶变换获取流体力的幅值和相位；计算流体力相关系数和流体力；将流体力与管子振动方程联立，组装形成系统的矩阵方程，求解矩阵方程的特征值后计算临界流速；
若管束流弹失稳预测属于第三预设范围，则：建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型；利用CFD数值模拟，以固定采样频率采集不同流速下的瞬时流场；利用流场数据和图像处理技术提取流管边界，在识别出的流管内布置监测点以获取速度脉动绘制相位滞后与流速、曲线坐标的函数曲线，通过曲线拟合建立相位滞后的数学模型；依据相位滞后函数计算流体力，通过迭代求解计算出临界流速。
3.根据权利要求2所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，所述建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型的过程具体为：
改变目标管的位置，使得在横向、流向的空间上具有一系列的偏移量，分别建立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、边界条件后得到流场分析模型，开展计算，采集目标管的升力系数和阻力系数。
4.根据权利要求2所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，所述建立含强迫振动管的管束流致振动分析模型的过程具体为：
根据管束的结构特征建立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、边界条件后得到流场分析模型；
将目标管的运动方程与CFD流场求解耦合后得到流致振动分析模型。
5.根据权利要求4所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，所述结构特征包括几何尺寸、管束排列形式、管束节径比和固有频率。
6.根据权利要求2所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，所述流管边界提取的具体过程为：
使目标管按特定的振动频率作强迫振动，并对流域进行瞬态分析，提取1个周期内的速度场云图；
将输入图像进行二值化处理，以平均流速的10％作为阈值，将低于阈值的部分数据剔除；
根据图像的像素尺度和真实管束几何尺寸，将像素转化为实际长度，获得流道边界和面积。
7.根据权利要求2所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法，其特征是，所述相位滞后通过互相关函数法计算得到。
8.一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识系统，其特征是，包括：
模型判断模块，用于根据选取的管束流弹失稳预测的理论模型，判断管束流弹失稳预测的预设范围；
模拟分析模块，用于依据预设范围建立相应的管束流场分析模型，并利用CFD数值模拟分析得到临界流速；
其中，预设范围包括依据准稳态模型确定的第一预设范围、依据非稳态模型确定的第二预设范围以及依据流管模型确定的第三预设范围。
9.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任意一项所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-7中任意一项所述的一种用于管束流弹失稳预测的参数辨识方法。
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