CN205679375U - 一种流固耦合参数的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种流固耦合参数的测量系统，所述测量系统包括测量装置主体、控制子系统和数据采集与处理子系统，其中，所述测量装置主体包括支撑架和水池，在支撑架和水池之间由上往下依次设置有电磁激振器、上板、下板和支脚，在上板上设置有加速度计和位移传感器，在下板下方且在支脚上设置有力传感器。本实用新型所提供的测量系统结构简单，使用方便；所述测量系统不仅可以测得平板的流固耦合参数也可以测得孔板的流固耦合参数，为抗震分析或抗震设计提供精确的数据。
Description
技术领域
本实用新型涉及核电能源技术领域，具体涉及乏燃料贮存格架领域，特别地，涉及一种乏燃料贮存格架之间和格架与水池之间流固耦合参数的测量系统。
背景技术
乏燃料贮存格架是用来贮存具有很强放射性的乏燃料组件，由于乏燃料组件外运燃料处理厂的复杂性，在有限的水池空间内布置了尽可能多的乏燃料组件，因此，一般采用密集型贮存格架。但是，这就增大了乏燃料组件贮存的危险性。为了保证贮存的安全性，确保乏燃料组件在贮存时不会达到临界状态，在地震载荷下仍能保持贮存功能，因此，乏燃料贮存格架被设计为抗震I类设备，设计上应满足在地震载荷下保持其贮存功能、不散架、不倾翻，格架不发生大的变形，确保贮存期间燃料组件不会达到临界状态。因此，在格架设计时，需要进行地震工况下结构分析。
在地震时，乏燃料贮存格架的状态需要考虑流体(水)的作用力，一般情况下，对格架进行地震工况下结构分析时，通常采用瞬态分析法，将流体作用力简化为附加质量和附加阻尼这两个流固耦参数，将这两个参数作为输入，附加到格架的有限元分析程序，从而求解结构的最大载荷，对结构进行应力评定。所以这两个流固耦合参数对乏燃料贮存格架的地震安全有极其重要的作用。
国外对乏燃料贮存格架与水池间流固耦合特性研究比较全面，提出了三维乏燃料格架动态流固耦合理论模型。并通过实验以及CFD软件模拟来验证多格架流体耦合模型的正确性，但是其参数的选取还有不确定性。而国内的相关研究比较匮乏，主要是商用软件模拟，其流固耦合效应采用了水动力质量来考虑，得到的附加质量与附加阻尼等动力学特性参数比较保守，且缺乏实验数据。
实用新型内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种流固耦合参数的测量系统，利用该测量系统，通过控制各项参数，进行具体实验，得到数据序列，然后对数据序列进行最小二乘法非线性拟合得到附加质量和附加阻尼，即流固耦合参数，从而完成本实用新型。
本实用新型的一方面在于提供一种流固耦合参数的测量系统，所述流固耦合参数为乏燃料贮存格架之间或者格架与水池之间的流固耦合参数，具体如下：
(1)一种流固耦合参数的测量系统，其中，所述测量系统包括测量装置主体1，所述测量装置主体1包括支撑架11和水池12，在支撑架11和水池12之间由上往下依次设置有电磁激振器13、上板15、下板16和支脚17，
所述电磁激振器13固定于支撑架11的上端；
所述上板15通过驱动杆14与电磁激振器13连接；
(2)根据上述(1)所述的测量系统，其中，
所述上板15和下板16分别为矩形板，和/或
所述支脚17为3个以上，且所述支脚17对称分布于下板16的下方；
(3)根据上述(2)所述的测量系统，其中，
所述上板15和下板16分别为矩形钢板，和/或
所述支脚17为4个，且分别均匀地分布于下板16的四个角上；
(4)根据上述(3)所述的测量系统，其中，
所述电磁激振器13采用正弦波进行激振，所述正弦波的幅值和频率可控，和/或
上板15可以沿驱动杆14进行上下移动，用于控制不同的初始间隙大小，所述初始间隙大小为上板与下板之间的初始间隙大小；
(5)根据上述(4)所述的测量系统，其中，
在上板15上设置有加速度计18和位移传感器19；
(6)根据上述(4)所述的测量系统，其中，在下板16下方且在支脚17上设置有力传感器20；
(7)根据上述(1)至(6)之一所述的测量系统，其中，所述测量系统还包括控制子系统2和数据采集与处理子系统3，其中，所述测量装置主体1分别与控制子系统2和数据采集与处理子系统3连接；
(8)根据上述(7)所述的测量系统，其中，
所述控制子系统2包括控制器21和功率放大器22；其中，所述控制器21用于通过电磁激振器13控制上板15的各项参数。
(9)根据上述(8)所述的测量系统，其中，所述各项参数包括初始间隙大小、振动频率和振动幅值，其中，所述初始间隙大小为上板15和下板16之间的初始间隙大小，所述振动频率为上板的振动频率，所述振动幅值为上板的振动幅值。
(10)根据上述(7)所述的测量系统，其中，所述数据采集与处理子系统3包括数据采集模块31和数据处理模块32，其中，所述数据采集模块31用于采集位移传感器19和力传感器20所传递的数据，所述数据处理模块32用于进行数据处理，得到实验结果。
附图说明
图1示出测量装置主体的结构示意图；
图2示出测量系统的结构示意图。
附图标号说明：
1-测量装置主体
11-支撑架
12-水池
13-电磁激振器
14-驱动杆
15-上板
16-下板
17-支脚
18-加速度计
19-位移传感器
20-力传感器
2-控制子系统
21-控制器
22-功率放大器
3-数据采集与处理子系统
31-数据采集模块
32-数据处理模块
具体实施方式
下面通过附图对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。
其中，尽管在附图中示出了实施方式的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本实用新型一方面提供了的一种流固耦合参数的测量系统，如图1、图2所示，所述测量系统包括测量装置主体1，所述测量装置主体1包括支撑架11和水池12，在支撑架11和水池12之间由下往上依次设置有电磁激振器13、上板15、下板16和支脚17，其中，所述流固耦合参数为乏燃料贮存格架之间或者格架与水池之间的流固耦合参数，进一步地，所述流固耦合参数是指附加质量和附加阻尼。
其中，所述上板15用于模拟实际乏燃料贮存格架，所述下板16用于模拟实际邻近格架或实际邻近水池，所述电磁激振器13用于对水产生激励力，所述激励力继而会作用于上板15。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在水池12中注有水。
在进一步优选的实施方式中，水池12的水要没过上板15。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述上板15和下板16分别为矩形板。
在进一步优选的实施方式中，所述上板15和下板16分别为矩形钢板。
在更进一步优选的实施方式中，所述矩形钢板为实际乏燃料贮存格架的1/10大小。
其中，所述上板15可以为平板也可以为孔板。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述电磁激振器13固定于支撑架11的上端。
在进一步优选的实施方式中，所述电磁激振器13采用正弦波进行激振，所述正弦波的幅值和频率可控。
其中，所述电磁激振器13的频率和幅值可以控制，由于所述电磁激振器13对水产生的激励力作用于上板15，因此，电磁激振器13的振动频率即为上板15的振动频率，电磁激振器13的振动幅值即为上板15的振动幅值，因此，通过控制电磁激振器13的振动频率和振动幅值即可控制上板15的振动频率和振动幅值，而上板15的振动频率和振动幅值是影响流固耦合参数(附加质量和附加阻尼)的重要因素。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，所述上板15通过驱动杆14与电磁激振器13连接。
在进一步优选的实施方式中，上板15可以沿驱动杆14进行上下移动，用于控制不同的初始间隙大小，所述初始间隙大小为上板与下板之间的初始间隙大小。
其中，随着上板15的上下运动，上板15与下板16之间的初始间隙大小发生变化，而上板15与下板16之间的初始间隙大小也是影响流固耦合参数的关键因素。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1所示，在所述下板16的下方设置有支脚17，用于使下板16立于水池12上。
在进一步优选的实施方式中，所述支脚17为3个以上，且均匀分布于下板16的下方。
在更进一步优选的实施方式中，所述支脚17为4个，且均匀地分布于下板16的四个角上。
其中，支脚的个数不受特别限定，只要能使下板稳定立于水池中即可。所述支脚的高度可以进行调节，因此通过调节支脚的高度即可调节下板的高度。优选地，所述下板16与支脚17之间为固定连接。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1、图2所示，在上板15的上方设置有加速度计18。
其中，所述加速度计用于计算上板15在上下运动时的加速度。所述加速度计的设置位置没有严格要求，只要设置于上板15上，能够精确计算出上板的运动加速度即可。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图1、图2所示，在上板15上设置有位移传感器19。
其中，所述位移传感器19的设置位置没有严格限制，只要设置于上板15上，且能准确测量出上板的运动位移，得到初始间隙大小即可。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在下板16的下方且在支脚17上设置有力传感器20。
其中，在每一根支脚上均设置有一个力传感器，用于检测下板受到的流固耦合作用力，而下板受到的流固耦合作用力等于每个力传感器检测到的力的加和减去下板的固有重力。
根据本实用新型一种优选的实施方式中，如图2所示，所述检测系统还包括控制子系统2和数据采集与处理子系统3。
在进一步优选的实施方式中，所述测量装置主体1分别与控制子系统2和数据采集与处理子系统3连接。
其中，所述控制子系统2用于控制测量装置主体1的运行，主要是控制上板15的振动以及上下移动；所述数据采集与处理子系统3用于对测量装置主体1进行数据采集，并对采集的数据进行处理。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图2所示，所述控制子系统2包括控制器21和功率放大器22。
其中，控制器21用于控制上板的初始间隙大小、振动频率和振动幅值，其中，所述初始间隙大小为上板15和下板16之间的初始间隙大小，所述振动频率为上板的振动频率，所述振动幅值为上板的振动幅值。具体地：控制器21通过控制电磁激振器可以控制上板的上下移动，继而实现了控制上板与下板之间的初始间隙大小；控制器可以控制电磁激振器的振动频率和振动幅值，而电磁激振器的振动频率和振动幅值即为上板的振动频率和振动幅值，因此，控制器可以通过控制电磁激振器的振动频率和振动幅值进而控制上板的振动频率和振动幅值，即控制器可以通过电磁激振器控制上板的振动频率和振动幅值。
在进一步优选的实施方式中，所述控制器21接收加速度计18传递的信号，对上板的位移进行准确控制。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图2所示，所述数据采集与处理子系统3包括数据采集模块31和数据处理模块32。
其中，数据采集模块31用于采集位移传感器19和力传感器20所传递的数据，所述数据处理模块32用于进行数据处理，得到试验结果。
本实用新型另一方面提供了一种流固耦合参数的测量方法，优选地，利用上述测量系统对格架间以及格架与水池间流固耦合参数进行测量，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤1、启动电磁激振器13；
步骤2、控制子系统2对上板15进行参数设置，并开始试验；
步骤3、数据采集与处理子系统3进行数据采集，并进行数据预处理，得到初步数据；
步骤4、数据采集与处理子系统3对初步数据进行数据终处理，得到不同参数下的附加质量和附加阻尼，即流固耦合参数。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤2中，所述各项参数包括初始间隙大小、振动频率和振动幅值。
其中，所述初始间隙大小为上板15与下板16之间的初始间隙大小，所述振动频率为上板15的振动频率，其等于电磁激振器13的振动频率，所述振动幅值为上板15的振动幅值，其等于电磁激振器13的振动幅值。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤3中，所述初步数据包括在不同参数下得到的流固耦合作用力与时间的数据序列。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在步骤4中，所述数据终处理是采用最小二乘法对目标函数进行非线性拟合，得到附加质量和附加阻尼。
其中，已知流体作用力F与附加质量mad、附加阻尼cad以及实际间隙大小h的关系如式(I)所示：
而当下板固定时，上板做正弦运动，因此，实际间隙大小h的表达式如式(2)所示：
h＝H0+Asin(ωt) 式(2)；
其中，在式(2)中，H0为初始间隙大小，Asin(ωt)表示在上板的振动下间隙大小的浮动值，h则表示在实际实验时不同时间下的实际间隙大小。
将式(2)代入式(1)可以得到流固耦合作用力随时间变化的函数，如式(3)所示，该式(3)即为目标函数。
F(t)＝-madAω2sin(ωt)+cadAωcos(ωt) 式(3)
其中，在式(3)中，F(t)表示流固耦合作用力，mad表示附加质量，cad表示附加阻尼，A表示上板的振动幅值，ω表示上板的振动频率，t表示上板的振动时间，并且其中，A和ω是实验设置值，即为常数，因此，式(3)即为F(t)-t的函数。
在本实用新型中，在不同时间下的流固耦合作用力F(t)可以通过力传感器测量得到，上板在电磁激振器的控制下进行正弦运动，经过推导，流固耦合作用力F(t)的表达式如式(3)所示。根据式(3)，利用最小二乘法进行非线性拟合，可以得到附加质量mad和附加阻尼cad。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在式(3)中，设-madAω2为常数a，cadAω为常数b，sin(ωt)为x，cos(ωt)为y，则式(3)可以表示为式(3-1)所示：
F(x,y)＝ax+by 式(3-1)
其中，在式(3-1)中，a与b为待定系数，x与y为t的函数，因此，可以根据t的系列数据分别得到x和y的系列数据，因此，F(t)-t的数据序列可以转化为F(x,y)-(x,y)的数据序列。
在进一步优选的实施方式中，以式(3-1)为目标函数，根据F(x,y)-(x,y)的数据序列，利用最小二乘法进行非线性拟合，得到待定系数a和b的值。
在更进一步优选的实施方式中，由于a＝-madAω2，b＝cadAω，而A和ω均为已知固定值，因此可以得到mad和cad，即得到附加质量和附加阻尼。
其中，最小二乘法是一种数学优化技术。一般根据数据的特点，构造符合数据特性的目标函数，其中，目标函数含有一个或多个待定系数，最小二乘法通过最小化实际数据与目标函数的误差，来确定待定系数，其中，假定F(t)为目标函数，Fdata(t)为实际数据序列，则非线性拟合即寻找满足式(4)最小时的待定系数。
在实用新型中，具体地，目标函数为式(3)或式(3-1)所示函数，并且，a与b为式(3-1)所示函数的待定系数，进而根据待定系数的值求得附加质量mad和附加阻尼cad。
根据本实用新型一种优选的实施方式，以式(3-1)为目标函数，a与b为待定系数，进行非线性拟合，寻找满足式(4-1)最小时的待定系数a与b。
在更进一步优选的实施方式中，根据待定系数a与b的值求出在不同初始间隙大小下的附加质量(mad)和附加阻尼(cad)。
因此，通过本实用新型所述测量系统，可以得到不同参数下的附加质量和附加阻尼，并且，经过归纳分析可以分别得到初始间隙大小不同、振动频率不同和振动幅值不同对附加质量(mad)和附加阻尼(cad)的影响。
根据本实用新型一种优选的实施方式，通过数据分析可以分别得到振动频率、振动幅值和初始间隙大小对流固耦合参数的影响。
在进一步优选的实施方式中，通过控制单独变量的方法分别得到振动频率、振动幅值和初始间隙大小对流固耦合参数的影响。
在更进一步优选的实施方式中：
(1)选取相同振动频率、相同振动幅值、不同初始间隙大小的第一系列数据，其中，所述第一系列数据的不同是由于初始间隙大小的不同引起，因此可以得到不同初始间隙大小对流固耦合参数的影响；
(2)选取相同振动幅值、相同初始间隙大小、不同振动频率的第二系列数据，其中，所述第二系列数据的不同是由于振动频率的不同引起，因此可以得到不同振动频率对流固耦合参数的影响；
(3)选取相同振动频率、相同初始间隙大小、不同振动幅值的第三系列数据，其中，所述第三系列数据的不同是由于振动幅值的不同引起，因此可以得到不同振动幅值对流固耦合参数的影响。
综上所述，根据本实用新型所提供的测量系统测量流固耦合参数的方法，可以得到不同参数下的附加质量和附加阻尼，以及分别得到初始间隙大小、振动频率和振动幅值对流固耦合参数的影响，为后期地震设计提供充足的实验数据。
在本实用新型中，所述格架为乏燃料贮存格架的简称。
本实用新型所具有的有益效果包括：
(1)本实用新型所提供的测量系统结构简单，使用方便；
(2)本实用新型所述测量系统的测量装置主体中上板可以为平板也可以为孔板，因此，本实用新型所提供的测量系统不仅可以测得平板的流固耦合参数也可以测得孔板的流固耦合参数；
(3)由所述测量系统可以得到不同参数设置下的流固耦合参数，能够更精确地反应出实际的流固耦合效应，为地震分析或抗震设计提供精确的数据。
实施例
步骤1、启动测量系统。
其中，在该实施例中，采用具有四个支脚的测量装置主体，因此，在该测量装置主体的四个支脚上分别设置有四个力传感器。
步骤2、通过控制子系统进行参数设置：初始间隙大小为0.035mm、振动幅值0.002m、振动频率5Hz，开始实验。
步骤3、通过数据采集与处理子系统3进行数据采集，得到四个支脚上的力与时间的关系(参见表1)，并进行数据预处理，得到流固耦合作用力和时间的数据序列(参见表2)。
表1采集的数据
| t | F1 | F2 | F3 | F4 | F |
| 0 | -2.83738 | -3.12111 | -2.97924 | -2.69551 | -11.6332 |
| 0.01 | -1.49967 | -1.64964 | -1.57465 | -1.42469 | -6.14865 |
| 0.02 | -0.01532 | -0.01685 | -0.01608 | -0.01455 | -0.06279 |
| 0.03 | 1.470537 | 1.617591 | 1.544064 | 1.397011 | 6.029203 |
| 0.04 | 2.812589 | 3.093848 | 2.953218 | 2.671959 | 11.53161 |
| 0.05 | 3.879601 | 4.267562 | 4.073581 | 3.685621 | 15.90637 |
| … | … | … | … | … | … |
其中，在表1中，F1～F4分别表示四个支脚上的力传感器感受到的力的大小(已自动减去下板的重量)，F为F1～F4的合力，即流固耦合作用力。在数据处理时，选取第一个合力F最接近0的数据，作为新的平衡点，截取2个正弦周期的数据，形成如表2所示的数据序列(初步数据)。
表2初步数据
步骤4、通过数据采集与和处理子系统对初步数据进行数据终处理，得到附加质量和附加阻尼分别为6.8和0.2。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”和“下”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种流固耦合参数的测量系统，所述流固耦合参数为乏燃料贮存格架之间或者格架与水池之间的流固耦合参数，其特征在于，所述测量系统包括测量装置主体(1)，所述测量装置主体(1)包括支撑架(11)和水池(12)，在支撑架(11)和水池(12)之间由上往下依次设置有电磁激振器(13)、上板(15)、下板(16)和支脚(17)，
所述电磁激振器(13)固定于支撑架(11)的上端；
所述上板(15)通过驱动杆(14)与电磁激振器(13)连接。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，
所述上板(15)和下板(16)分别为矩形板；和/或
所述支脚(17)为3个以上，且所述支脚(17)对称分布于下板(16)的下方。
3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，
所述上板(15)和下板(16)分别为矩形钢板；和/或
所述支脚(17)为4个，且分别均匀地分布于下板(16)的四个角上。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，
所述电磁激振器(13)采用正弦波进行激振，所述正弦波的幅值和频率可控；和/或
上板(15)可以沿驱动杆(14)进行上下移动，用于控制不同的初始间隙大小，所述初始间隙大小为上板与下板之间的初始间隙大小。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，在上板(15)上设置有加速度计(18)和位移传感器(19)。
6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，在下板(16)下方且在支脚(17)上设置有力传感器(20)。
7.根据权利要求1至6之一所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括控制子系统(2)和数据采集与处理子系统(3)，其中，所述测量装置主体(1)分别与控制子系统(2)和数据采集与处理子系统(3)连接。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述控制子系统(2)包括控制器(21)和功率放大器(22)；其中，所述控制器(21)用于通过电磁激振器(13)控制上板(15)的各项参数。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述各项参数包括初始间隙大小、振动频率和振动幅值，其中，所述初始间隙大小为上板(15)和下板(16)之间的初始间隙大小，所述振动频率为上板的振动频率，所述振动幅值为上板的振动幅值。
10.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述数据采集与处理子系统(3)包括数据采集模块(31)和数据处理模块(32)，其中，所述数据采集模块(31)用于采集位移传感器(19)和力传感器(20)所传递的数据，所述数据处理模块(32)用于进行数据处理，得到实验结果。
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