[發明專利]一種蒸汽發生器管束兩相橫向流彈失穩分析方法

有效

• 申請號: 201510335090.4
• 申請日: 2015-06-17
• 公開（公告）號: CN104899387B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 柳軍;宋志文;郭曉強;劉咸;王偉;趙洪亮;李時德
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種蒸汽發生器管束兩相橫向流彈失穩分析方法，提出的兩相橫向流彈失穩的解析模型，分析核反應堆中蒸汽發生器管束兩相橫向流彈失穩是否發生的一種方法。

背景技術

流彈失穩機理與航天工業中廣泛研究的顫振現象相同，不穩定性的主要參數是系統的阻尼和流體彈性力。橫向流作用下的管束，當流速增加到一定值時，系統中流體彈性力所做的功將大于系統阻尼散耗的功，因此管子振動的振幅將急劇增大，這時就稱出現了流彈失穩。

從理論上看，流體彈性力應該通過求解一組聯立的流體力學和結構動力學方程得到。但由于我們涉及的問題通常十分復雜，如大量的換熱管，復雜的邊界條件和高雷諾數的流動等，使得從理論上進行求解十分困難，甚至是不可能的。通常的做法是根據大量的實驗結果，提出簡化的數學物理模型。在這些模型中，流體力一般不再以獨立方程的形式出現而是表示成與結構的位移、速度和加速度等有關的函數，這種關系體現了流體作用使結構產生位移和變形，而結構的位移和變形又改變了流體作用這樣一個流固耦合振動的事實。

目前，已有分析管陣流彈失穩的模型，主要為擬靜力(如Connors模型)、擬定常(如Paidoussis模型)、非定常流模型(如Chen模型)及解析模型(Yetisir流管模型)。分析管陣臨界流速時，擬靜力、擬定常和非定常流模型的流體彈性力都不同程度地依賴于實驗數據，且這些模型中的一些參數是在一定條件下、針對某個管陣形式得到的，有一定的保守性和不確定性，并不能對所有實際問題給出可靠的臨界流速。而解析模型則是根據大量的實驗結果，對流體彈性系統作一些簡化，用比較成熟的數學、力學方法，得到流體彈性力。盡管這類模型與實際情況還有一定差距，有待于進一步完善，但無疑是一類具有普遍意義的數學模型。

現有的解析方法計算過程比較繁瑣，甚至需用到數值計算，且都是針對單相流彈失穩的分析，如果用其分析兩相流彈失穩問題，還需將氣-液兩相流等效為單相流，這一方法的有效性也有待考證。

發明內容

本發明的目的是：本發明是為了克服核反應堆蒸汽發生器換熱管流彈失穩而導致的管束破壞問題，而提出一種蒸汽發生器管束兩相橫向流彈失穩分析方法。包括以下步驟：

1兩相橫向流彈失穩參數確定

熱交換器通常有四種典型的管陣幾何排列形式，對于所有的幾何排列形式，解析模型的基本概念是相同的，排列形式只是影響模型中使用的試驗參數。具體以平行三角形管束為例，而對于旋轉三角形和旋轉正方形管束(P_r>1.7)，流體力F_y具有同樣的形式，除了它需要除以2cosα，這是由于所定義的最小間距擾動面積函數a(s_m,t)具有不同的形式。

1.1基本定義

引入“流管”概念，平行三角形管陣流管模型。曲線坐標s用以表示流動路徑，流管的平均橫截面積在整個流管上假設為常數，且由-s₁位置的最小間隙面積A₀確定。

A₀＝min(Pcosα-D/2,P-D)

瞬時流管面積A(s,t)會隨著管子的振動而改變，A(s,t)包含兩項：平均項A₀，和波動項a(s,t)。

A(s,t)＝A₀+a(s,t)

同樣的，速度和壓力定義為：

U(s,t)＝U₀+u(s,t)，P(s,t)＝P₀+p(s,t)

然而，在足夠遠的上游位置s₁，擾動可以忽略，速度和壓力可以分別視為常數U₀和P₀，流管假設在s_a位置開始附著于柔性管，并在s_s位置分離。

管子的振動不能立刻影響到流管的其它位置，因此，采用一個相函數來考慮擾動延遲效應。上游微擾函數a(s,t)可以表示為

f(s)為人工衰減函數，用以表示從柔性管的位置到上游點的微擾衰減。a(s_m,t)是最小間隙位置的面積微擾，是管子幾何的函數。

1.2兩相橫向流彈失穩試驗參數確定

唯一依賴于試驗輸入的參數為開始產生附著和分離點的位置，這可以通過Weaver和Abd Rabbo以及Scott的可視化研究進行估計。四種典型的管陣排列的可以歸為以下兩組：

注：β為流體附著表面的法向矢量角度