CN115238494A - 一种管道流弹失稳的部件位置识别方法 - Google Patents

一种管道流弹失稳的部件位置识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及管道和管束结构技术领域，具体涉及一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，包括以下步骤：结合管道结构尺寸以及边界条件，建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，两矩阵维度相同；根据所述归一化质量矩阵和所述刚度矩阵，进行模态分析，并获得特征值；将管道化分为n个子部件，n为小于等于所述质量矩阵维度的自然数；基于管道的n个子部件，根据管道在预设阶模态下的频率计算模型，计算管道在对应阶模态下的频率；根据对应阶模态下的频率，计算各子部件在对应阶模态下流弹失稳参与系数，从而根据流弹失稳参与系数确定管道流弹失稳的部件位置。本发明能够根据管道各子部件流弹失稳参与系数，以快速识别出易发生流弹失稳的部件位置。

Description

一种管道流弹失稳的部件位置识别方法
技术领域
本发明涉及管道和管束结构技术领域，具体涉及一种管道流弹失稳的部件位置识别方法。
背景技术
反应堆压力容器、蒸汽发生器是核电站的重要设备，它们内部存在多种管束结构，比如反应堆压力容器中的导向筒、燃料棒、二次支承，以及蒸汽发生器中的传热管束。这些管束结构在动态流体环境下，特别是流速较高的情况下，易发生流弹失稳现象。以蒸汽发生器传热管束为例，一旦出现流弹失稳现象,可以在很短的时间内破坏传热管的完整性，影响核电站安全。2012年美国San Onofre核电站(SONGS)因蒸汽发生器传热管发生流弹失稳，导致传热管被磨穿，放射性物质的泄漏量超限。
在核电站的二三级设备中有多种换热器，以及化工领域有着更多各式各样的换热器，它们内部均存在成百上千管束结构，一方面需要在有限的体积内布置更多的传热管束增大换热面积，同时需要提高流速增大换热效率，一方面需要保证结构强度满足要求，流速高的情况下流弹失稳现象更易发生，这就给管束结构的流弹失稳设计提出了更高要求。
目前的管束结构流弹失稳计算几乎都是在已知管束结构布置、已知流场的情况进行的验证分析，而没有在设计之初基于管束结构流弹失稳的特征进行流弹失稳设计。而且基于目前的流弹失稳验证分析结果，很难量化具体哪个部件的流弹失稳系数比较大，设计人员也无从进行结构设计改进。
综上现有技术中，管道各部件参与流弹失稳的定量量化方法尚属空白，对于一个管束结构，在无流场信息的情况下，无法确定其流弹失稳的影响程度，设计人员无法从流弹失稳的角度对结构进行优化，并且在已知管束结构信息、已知流场信息的情况下，很难量化具体哪个部件的流弹失稳系数比较大，设计人员也无从进行结构设计改进。
发明内容
本发明提供了一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，能够在无流场信息的情况下或者定性知道流场分布情况下，确定管道各子部件流弹失稳参与系数，以快速识别出易发生流弹失稳的部件位置，定位流弹失稳薄弱环节，识别出关键模态，进而从流弹失稳角度为管道布置结构设计改进优化、安全评价提供依据。
本发明通过下述技术方案实现：
一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，包括以下步骤：
S10、结合管道结构尺寸以及边界条件，建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，所述质量矩阵和所述刚度矩阵的维度相同；
S20、根据所述归一化质量矩阵和所述刚度矩阵，进行模态分析，并获得特征值；
S30、将管道化分为n个子部件，n为小于等于所述质量矩阵维度的自然数；
S40、基于管道的n个子部件，根据管道在预设阶模态下的频率计算模型，计算管道在对应阶模态下的频率；
S50、根据对应阶模态下的频率，计算各子部件在对应阶模态下流弹失稳参与系数，从而根据流弹失稳参与系数确定管道流弹失稳的部件位置。
本发明提供的管道流弹失稳的部件位置识别方法，在建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，利用模态分析模型进行模态分析，得到固有频率和振型，并根据流弹失稳参与系数的计算模型，计算管道在各阶模态下流弹失稳参与系数；并根据管道的特征将管道划分为多个子部件，利用管道在预设阶模态下的频率计算模型，计算得到管道在各阶模态下的频率，同时计算管道各子部件在各阶模态下的流弹失稳参与系数；而管道某阶模态流弹失稳参与系数越大，则表示该阶模态更容易发生流弹失稳，同时某子部件在某阶模态的流弹失稳参与系数越大，则该子部件在该阶模态下流弹失稳的参与程度越高，因此流弹失稳系数定量地给出了各阶模态下各子部件流弹失稳参与的相对分布情况。
综上，本发明能够在无流场信息的情况下或者定性知道流场分布情况下，确定管道各子部件流弹失稳参与系数，以快速识别出易发生流弹失稳的部件位置，定位流弹失稳薄弱环节，识别出关键模态，进而从流弹失稳角度为管道布置结构设计改进优化、安全评价提供依据。
具体而言，步骤S10中，采用有限元建立所述质量矩阵和所述刚度矩阵。
具体而言，步骤S20中，模态分析模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000031
式中：
ωj为第j阶模态的固有频率，
Μ为质量矩阵，
Figure RE-GDA0003789109570000032
为第j阶模态的振型，
K刚度矩阵。
具体而言，管道流弹失稳参与系数的计算模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000033
式中，Γj为管道在第j模态下的流弹失稳参与系数。
具体而言，管道在预设阶模态下的频率计算模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000041
式中，
Figure RE-GDA0003789109570000042
为根据n个子部件对刚度矩阵进行的分块处理。
具体而言，在第j阶模态下子部件流弹失稳参与系数的计算模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000043
式中：p为子部件编号，
Figure RE-GDA0003789109570000044
表示在
Figure RE-GDA0003789109570000045
矩阵中除p子部件对应的振型值之外，其他位置均置0。
具体而言，步骤S20中，截取的模态数量的有效质量之和/总质量>90％。
具体而言，步骤S50中，计算预设子部件流弹失稳参与系数时，选取流弹失稳参与系数最大的4阶模态。
具体而言，步骤S30中，根据管道的特征将管道划分为多个子部件后，重新构筑管道刚度矩阵和振型。
具体而言，步骤S30中将管道划分为弯管区、入口区和直管区。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的管道流弹失稳的部件位置识别方法，在建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，利用模态分析模型进行模态分析，得到固有频率和振型，并根据流弹失稳参与系数的计算模型，计算管道在各阶模态下流弹失稳参与系数；并根据管道的特征将管道划分为多个子部件，利用管道在预设阶模态下的频率计算模型，计算得到管道在各阶模态下的频率，同时计算管道各子部件在各阶模态下的流弹失稳参与系数；而管道某阶模态流弹失稳参与系数越大，则表示该阶模态更容易发生流弹失稳，同时某子部件在某阶模态的流弹失稳参与系数越大，则该子部件在该阶模态下流弹失稳的参与程度越高，因此利用本发明提供的方法可高效、便捷地定量计算管道各阶模态的流弹失稳参与系数以及管道各个子部件流弹失稳参与系数，从而识别出管道流弹失稳的部件位置。
2、本发明提供的管道流弹失稳的部件位置识别方法，截止模态数量的有效质量之和/总质量>90％，以及取流弹失稳参与系数最大的4阶模态，进行计算，能有效识别所有重要模态及流弹失稳参与程度较高的管道子部件。
3、本发明提供管道流弹失稳的部件位置识别方法，所涉及的步骤和模型，能够由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于定量计算管道各阶模态的流弹失稳参与系数以及管道各个子部件流弹失稳参与系数。
4、本发明提供管道流弹失稳的部件位置识别方法，通过管道各个子部件流弹失稳参与系数定量的评价流弹失稳薄弱环节，根据其分析结果可对管道的结构设计进行优化。
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为本发明实施例管道流弹失稳的部件位置识别方法的流程示意图；
图2为本申请实施例中的传热管子部件分区示意图；
图3为本申请实施例中的前50阶模态流弹失稳参与系数；
图4为本申请实施例中的弯管区流弹失稳参与系数最大的6阶模态；
图5为本申请实施例中的弯管区流速较大的情况下的流速数据；
图6为在图5所示流速下流弹失稳比值最大的4阶模态；
图7为本申请实施例中的入口区流弹失稳参与系数最大的4阶模态；
图8为本申请实施例中的入口区流速较大情况下的流速数据；
图9为在图8所示流速下流弹失稳比值最大的4阶模态；
图10为本申请实施例中的直管区流弹失稳参与系数最大的5阶模态；
图11为本申请实施例中的直管区入口区流速较大情况下的流速数据；
图12为在图11所示流速下流弹失稳比值最大的4阶模态；
图13为本申请实施例中的管道所有区流速相同情况下的流速数据；
图14为为在图13所示流速下流弹失稳比值最大的4阶模态；
图15为本申请实施例中的各子部件前50阶模态流弹失稳参与系数；
图16为本申请实施例中的工程流速情况下的流速数据；
图17为在图16所示流速下流弹失稳比值最大的4阶模态。
在附图1中：
10-传热管子部件，11-弯管区，12-直管区，13-入口区。
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
结合图1，本实施例提供了一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，包括以下步骤：
S10、结合管道结构尺寸以及边界条件，建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，所述质量矩阵和所述刚度矩阵的维度相同。
具体而言，在本实施例中，结合传热管管道结构尺寸以及边界条件，采用有限元法建立管道的归一化质量矩阵Μ和刚度矩阵K，所述质量矩阵和所述刚度矩阵的维度相同。
S20、根据所述归一化质量矩阵和所述刚度矩阵，进行模态分析，并获得特征值。
具体而言，模态分析模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000071
式中：
ωj为第j阶模态的固有频率，
Μ为质量矩阵，
Figure RE-GDA0003789109570000072
为第j阶模态的振型，
K刚度矩阵；
以利用模态分析模型分析得到固有频率和振型。
其中，根据模态有效质量和总质量之比大于90％的要求，截取模态。
基于，上述的模态分析模型，可获得管道流弹失稳参与系数的计算模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000073
式中，Γj为管道在第j模态下的流弹失稳参与系数。
S30、将管道化分为n个子部件，n为小于等于所述质量矩阵维度的自然数。
可以理解的是，对于管道的化分，可根据管道的具体特征划分，管道子部件的个数可多可少，取决于工程的需要，但需要管道子部件的数量应当小于或等于质量矩阵的维度。
具体而言，针对核设备常用的传热管，可将管道划分为弯管区、入口区和直管区。其中，根据管道的特征将管道划分为多个子部件后，重新构筑管道刚度矩阵和振型。
S40、基于管道的n个子部件，根据管道在预设阶模态下的频率计算模型，计算管道在对应阶模态下的频率。
具体而言，基于管道的n个子部件，管道在预设阶模态下的频率计算模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000081
式中，
Figure RE-GDA0003789109570000082
为根据n个子部件对刚度矩阵进行的分块处理。
S50、根据对应阶模态下的频率，计算各子部件在对应阶模态下流弹失稳参与系数，从而根据流弹失稳参与系数确定管道流弹失稳的部件位置。
具体而言，在第j阶模态下子部件流弹失稳参与系数的计算模型为：
Figure RE-GDA0003789109570000083
式中：p为子部件编号，根据p也就确定了子部件在管道上的相对位置；
Figure RE-GDA0003789109570000084
表示在
Figure RE-GDA0003789109570000085
矩阵中除p子部件对应的振型值之外，其他位置均置0。
其中，计算预设子部件流弹失稳参与系数时，选取流弹失稳参与系数最大的4阶模态。
需要说明的是，流弹失稳可以是多个部件的同时失稳，也可以是其中某一个部件的失稳，通过自编程序，采用本实施例中的管道流弹失稳参与系数的计算模型，可以得到管道各阶模态的流弹失稳参与系数，采用子部件流弹失稳参与系数的计算模型，得到某阶模态下各个子部件的流弹失稳参与系数。而管道某阶模态流弹失稳参与系数越大，则表示该阶模态更容易发生流弹失稳，某子部件在某阶模态的流弹失稳参与系数越大，则说明该子部件在该阶模态下流弹失稳的参与程度越高，因此，流弹失稳系数定量地给出了各阶模态下各子部件流弹失稳参与的相对分布情况。
也就是说，本实施例提供的管道流弹失稳的部件位置识别方法，在建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，利用模态分析模型进行模态分析，得到固有频率和振型，并根据流弹失稳参与系数的计算模型，计算管道在各阶模态下流弹失稳参与系数；并根据管道的特征将管道划分为多个子部件，利用管道在预设阶模态下的频率计算模型，计算得到管道在各阶模态下的频率，同时计算管道各子部件在各阶模态下的流弹失稳参与系数；而管道某阶模态流弹失稳参与系数越大，则表示该阶模态更容易发生流弹失稳，同时某子部件在某阶模态的流弹失稳参与系数越大，则该子部件在该阶模态下流弹失稳的参与程度越高，因此流弹失稳系数定量地给出了各阶模态下各子部件流弹失稳参与的相对分布情况。
综上，本实施例能够在无流场信息的情况下或者定性知道流场分布情况下，确定管道各子部件流弹失稳参与系数，以快速识别出易发生流弹失稳的部件位置，定位流弹失稳薄弱环节，识别出关键模态，进而从流弹失稳角度为管道布置结构设计改进优化、安全评价提供依据。
为便于更深入的理解本实施例所记载的技术方案，本实施例真对核设备典型的传热管作为研究对象，管道模型示意图见图2。在管道外动态流体环境情况下，特别是流速较高的情况下，易发生流弹失稳现象。设计初期，在不知道流场分布或者只是定性知道流场分布的情况下，需要定位流弹失稳薄弱环节，识别出关键模态，以便据此进行结构优化。
具体的，先建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，然后进行模态分析，得到固有频率和振型，根据模态有效质量和总质量之比大于90％的要求截取前 50阶模态，之后计算管道在各阶模态下流弹失稳参与系数，在根据管道的特征将管道划分为3个子部件，分别是弯管区、入口区及直管区。
在此基础上，基于划分子部件之后的管道，重新构筑刚度矩阵和振型，计算得到管道在各阶模态下的频率，并计算各子部件在各阶模态下的流弹失稳参与系数，同时对于关心的子部件，至少选取流弹失稳参与系数最大的4阶模态，最后根据对应阶模态下的频率，计算各子部件在对应阶模态下流弹失稳参与系数，从而根据流弹失稳参与系数确定管道流弹失稳的部件位置，定位流弹失稳薄弱环节，识别出关键模态，以便据此进行结构优化。
其中，管道前50阶模态流弹失稳参与系数如图3，可以看出频率越小，模态流弹失稳参与系数越大；
弯管区流弹失稳参与系数最大的6阶模态如图4，弯管区流速较大情况下流弹失稳比值最大的4阶模态如图6；通过图4、图5和图6，可以看出流弹失稳比值最大的模态均被弯管区流弹失稳参与系数最大的模态包络了，通过流弹失稳参与系数识别出了所有的关键模态；
入口区流弹失稳参与系数最大的4阶模态如图7所示，入口区流速较大情况下流弹失稳比值最大的4阶模态如图9所示；通过图7、图8和图9可以看出流弹失稳比值最大的模态均被入口区流弹失稳参与系数最大的模态包络了，通过流弹失稳参与系数识别出了所有的关键模态；
直管区流弹失稳参与系数最大的5阶模态如图10所示，直管区入口区流速较大情况下流弹失稳比值最大的4阶模态如图12所示，而所有区流速相同情况下流弹失稳比值最大的4阶模态如图13和图14所示；通过图10、图11、图12、图13和图14可以看出流弹失稳比值最大的模态均被直管区流弹失稳参与系数最大的模态包络了，通过流弹失稳参与系数识别出了所有的关键模态；
各子部件前50阶模态流弹失稳参与系数图如15所示，工程流速情况下流弹失稳比值最大的4阶模态如17所示，通过图15、图16和图17可以看出流弹失稳比值最大的模态出现在流速较大的区域，这些位置和模态均通过流弹失稳参与系数识别出来了。
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)

1.一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、结合管道结构尺寸以及边界条件，建立管道的归一化质量矩阵和刚度矩阵，所述质量矩阵和所述刚度矩阵的维度相同；
S20、根据所述归一化质量矩阵和所述刚度矩阵，进行模态分析，并获得特征值；
S30、将管道化分为n个子部件，n为小于等于所述质量矩阵维度的自然数；
S40、基于管道的n个子部件，根据管道在预设阶模态下的频率计算模型，计算管道在对应阶模态下的频率；
S50、根据对应阶模态下的频率，计算各子部件在对应阶模态下流弹失稳参与系数，从而根据流弹失稳参与系数确定管道流弹失稳的部件位置。
2.根据权利要求1所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，步骤S10中，采用有限元建立所述质量矩阵和所述刚度矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，步骤S20中，模态分析模型为：
Figure FDA0003757667370000011
式中：
ωj为第j阶模态的固有频率，
Μ为质量矩阵，
Figure FDA0003757667370000012
为第j阶模态的振型，
K刚度矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，管道流弹失稳参与系数的计算模型为：
Figure FDA0003757667370000013
式中，Γj为管道在第j模态下的流弹失稳参与系数。
5.根据权利要求4所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，管道在预设阶模态下的频率计算模型为：
Figure FDA0003757667370000021
式中，
Figure FDA0003757667370000022
为根据n个子部件对刚度矩阵进行的分块处理。
6.根据权利要求5所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，在第j阶模态下子部件流弹失稳参与系数的计算模型为：
Figure FDA0003757667370000023
式中：p为子部件编号，
Figure FDA0003757667370000024
表示在
Figure FDA0003757667370000025
矩阵中除p子部件对应的振型值之外，其他位置均置0。
7.根据权利要求1所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，步骤S20中，截取的模态数量的有效质量之和/总质量>90％。
8.根据权利要求1所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，步骤S50中，计算预设子部件流弹失稳参与系数时，选取流弹失稳参与系数最大的4阶模态。
9.根据权利要求1所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，步骤S30中，根据管道的特征将管道划分为多个子部件后，重新构筑管道刚度矩阵和振型。
10.根据权利要求9所述的一种管道流弹失稳的部件位置识别方法，其特征在于，步骤S30中将管道划分为弯管区、入口区和直管区。
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