防振条约束失效对蒸汽发生器传热管面内流弹失稳的影响研究

根据防振条布置以及面内支承连续失效个数,将防振条面内约束失效分析划分为多种工况,分析了不同工况下面内约束失效对传热管面内模态的影响,采用各位置阻尼在振型函数上进行加权平均的方法计算了各阶模态的阻尼比,进而研究了防振条面内不同约束对传热管面内流弹失稳的影响。分析结果表明,随着面内支承连续失效位置的增多,弯管段面内首阶模态频率不断降低,出现在弯管段的振型越加明显;弯管段面内首阶模态不一定是最大流弹失稳比值出现的模态,最大流弹失稳比值出现模态的振型几乎都出现在弯管段;随着面内支承连续失效位置的增多,面内流弹失稳比值不断增大,当连续3个及以上防振条面内约束失效时,将出现流弹失稳现象。     

防振条约束失效对蒸汽发生器传热管面内流弹失稳的影响研究

根据防振条布置以及面内支承连续失效个数,将防振条面内约束失效分析划分为多种工况,分析了不同工况下面内约束失效对传热管面内模态的影响,采用各位置阻尼在振型函数上进行加权平均的方法计算了各阶模态的阻尼比,进而研究了防振条面内不同约束对传热管面内流弹失稳的影响。分析结果表明,随着面内支承连续失效位置的增多,弯管段面内首阶模态频率不断降低,出现在弯管段的振型越加明显;弯管段面内首阶模态不一定是最大流弹失稳比值出现的模态,最大流弹失稳比值出现模态的振型几乎都出现在弯管段;随着面内支承连续失效位置的增多,面内流弹失稳比值不断增大,当连续3个及以上防振条面内约束失效时,将出现流弹失稳现象。     

抗振条-传热管大间隙多跨直管束流致振动试验研究

针对抗振条-传热管大间隙的4跨传热管直管束开展了流致振动试验研究。传热管束转角正三角形排列,3处抗振条将直管束分为4跨,中间其中1跨的局部区域受到横向流体的冲刷。试验测试获得了管间流速在3.3～14.7 m/s区间内传热管振动位移和振动频率响应特性。结果表明,随着管间流速逐渐增大,传热管在来流方向和升力方向的振动频率依次增大,传热管的振动模态从抗振条1处有效支撑、2处未有效支撑的状态,转换为3处抗振条均有效支撑的状态。试验观测到传热管流弹失稳,其临界流速为14.5 m/s,与5种经验关系式预测结果的对比表明,Chen关系式能较好地预测流弹失稳的发生,预测结果较保守,与试验值间的相对偏差为21.4%。     

抗振条-传热管大间隙多跨直管束流致振动试验研究

针对抗振条-传热管大间隙的4跨传热管直管束开展了流致振动试验研究。传热管束转角正三角形排列,3处抗振条将直管束分为4跨,中间其中1跨的局部区域受到横向流体的冲刷。试验测试获得了管间流速在3.3～14.7 m/s区间内传热管振动位移和振动频率响应特性。结果表明,随着管间流速逐渐增大,传热管在来流方向和升力方向的振动频率依次增大,传热管的振动模态从抗振条1处有效支撑、2处未有效支撑的状态,转换为3处抗振条均有效支撑的状态。试验观测到传热管流弹失稳,其临界流速为14.5 m/s,与5种经验关系式预测结果的对比表明,Chen关系式能较好地预测流弹失稳的发生,预测结果较保守,与试验值间的相对偏差为21.4%。     

蒸汽发生器传热管面内流体弹性失稳分析

流体弹性失稳是蒸汽发生器内最严重的传热管流致振动机理,一旦发生就会使传热管发生大幅振动并快速失效。流体弹性失稳可能在U形传热管束的面内及面外两个方向发生,为研究面内及面外流体弹性失稳发生的先后顺序,通过将蒸汽发生器U形传热管防振条支撑假设为单向简支,即仅在传热管面外方向对U形管进行约束,建立了完整的U形管模型;计算了弯曲半径及防振条支撑数量对U形管面内外固有频率的影响,基于成熟的流体弹性失稳经验模型,得到了面内流体弹性失稳先于面外方向发生的条件。结果表明,对弯曲半径在0.5 m-1.75 m范围内的U形传热管,当其弯管段支撑点超过4 h,面内流体弹性失稳将先于面外方向发生。     

蒸汽发生器传热管束流弹失稳现象中的基础力学问题研究

为探讨管束的流弹失稳机理以及支承方式、内流载荷对流弹失稳的影响机制,本文综合考虑定常流弹力、内流激励和非定常流体力对传热管流致振动的影响,建立了复杂流体激励作用下传热管流致振动的理论模型,通过特征值稳定性理论获得了两相横流作用下的传热管流弹失稳机制,系统地分析了内流激励和非定常流体力对传热管流弹失稳机制的影响。研究表明,支承方式会影响失稳临界流速,但不会影响流弹失稳机制;管内流会使管束各阶模态耦合,高速内流会改变管束的失稳机制;非定常流体力作为一种强迫力在流弹失稳之前,可能引起管束的“拍振”现象,在工程设计时应考虑避免。     

蒸汽发生器传热管固有振动试验和分析研究

通过蒸汽发生器管束模拟体试验,测定了不同弯头半径的传热管固有频率和振型。研究了间隙、支撑板梅花孔、弯头半径等因素对传热管固有频率的影响。分别测量了无耦合效应的面内对称、反对称和面外对称、反对称四种振型的固有频率,并通过单跨和两跨连续直梁固有振动试验确定了面内振动时弯头处的弹簧系数。前12阶固有频率的试验值和计算值符合得较好。试验表明:以结构固有频率激振时,间隙效应使传热管响应谱的频带变宽,但其中激振频率成分仍占优势。     

蒸汽发生器传热管固有振动试验和分析研究

通过蒸汽发生器管束模拟体试验,测定了不同弯头半径传热管的固有频率和振型。研究了间隙、支撑板梅花孔、弯头半径等因素对传热管固有频率的影响。分别测量了无耦合效应的面内对称、反对称和面外对称、反对称四种振型的固有频率,并通过单跨和两跨连续直管固有振动试验确定了面内振动时弯头处的弹簧系数。前12阶固有频率的试验值和计算值符合得较好。试验表明:以结构固有频率激振时,间隙效应使传热管响应谱的频率带变宽,但其中激振频率成分仍占优势。     

ZH-65型蒸汽发生器传热管束流致振动试验研究

设计了ZH-65型蒸汽发生器传热管束的试验模型,在空气-水两相流回路上对ZH-65型蒸汽发生器传热管束迚行流致振动研究。测量了U形管在空泡仹额为0%～90%、缝隙流速为0.5～3.43 m/s时的应变和加速度响应。从弯曲半径的大小、面内与面外、弯管段与直管段等方面对传热管束迚行评价。研究表明,弯曲半径越大,弯管段的加速度越大;弯管段根部应变与弯曲半径成反比;传热管的频率与弯曲半径成反比;弯管段的面内加速度比面外的小;弯管段的加速度比直管段的大。     

蒸汽发生器传热管间隙对传热管动态特性的影响分析

传热管流致振动是核电厂蒸汽发生器传热管失效的主要原因之一,在核电厂设计蒸汽发生器时,需对蒸汽发生器传热管流致振动问题进行分析。传热管与支撑板及抗振条之间存在小尺度间隙,这类间隙具有非线性效应,在进行流致振动线性分析时应考虑对间隙进行线性化等效处理。本文从理论研究和模拟分析两方面出发,对传热管与支撑板及抗振条之间间隙对传热管动态特性的影响进行分析。理论和模拟分析可知,传热管间隙对传热管整体振动的作用接近于简支。在进行流致振动分析时,可采用简支代替间隙进行线性分析。     

支承板支撑多跨管束流致振动试验研究

本文针对支承板支撑4跨传热管直管束开展流致振动基础试验。试验件由49根旋转正三角形布置的模拟传热管组成,传热管两端固定,中间3处采用支承板支撑。试验测量获得了单向横流冲刷和双向横流冲刷下不同进口流速传热管束的振动特性,获得振幅、频率、临界雷诺数等关键信息。结果表明,双向横流冲刷下的传热管较单向横流冲刷下的在更低雷诺数下发生失稳,两种流动方式下传热管发生失稳时加速度峰值频率均为104Hz,该值与单跨两端固支模型的理论计算固有频率非常接近。研究结果可为传热管束流致振动数值模拟分析提供验证。     

传热管与支撑件随机碰撞实验研究

针对蒸汽发生器中传热管与支撑件的碰撞行为,对悬臂梁固定的传热管在不同支撑条件下开展了激振实验,获得了传热管均方根位移与接触率,分析了传热管与支撑件磨损功率的变化规律,并探究了传热管固有频率对振动特性的影响。结果表明,防振条支撑与波纹带支撑时传热管的法向均方根位移均随激振力增加逐渐放缓,而防振条支撑对应的切向位移呈线性增长。防振条支撑与波纹带支撑时的接触率均表现为随激振力增大趋于稳定,其中间隙对防振条支撑的接触率影响更明显。在以冲击为主导的激励方式下,激振力与磨损功率表现为明显的正相关。支撑间隙对磨损功率的影响相对复杂,防振条支撑下磨损功率在0.1 mm和0.25 mm间隙存在极值,而波纹带支撑磨损功率仅在0.2 mm间隙存在极值。传热管固有频率对振动响应结果的影响很小。     

螺旋管式换热器的流致振动研究

流体诱发振动广泛存在于管壳式换热设备中,而螺旋管式换热器由于体积小、换热效率高,近年来大量应用于各类工业换热设备。本文针对单根螺旋管进行流致振动分析,分别利用一维热工水力程序RELAP5、CFD软件FLUENT和有限元软件ANSYS计算螺旋管一、二次侧流体密度分布,一次侧流体的速度场和螺旋管模态振型,并在0、1、2、4、和8支承数下计算单根螺旋管的流弹失稳比和湍流抖振均方根位移比。计算结果表明,当螺旋管采用4个对称支承进行固定时可满足ASME流弹失稳和TEMA湍流抖振的设计标准。     

复合材料圆管阻尼特性研究

本文采用复模量方法的Timoshenko梁理论和模态应变能法的Love一阶壳理论建立了复合材料圆柱壳动力学方程,进行了相应的模态测试,并与有限元及试验结果进行对比。本文计算结果与有限元及试验结果符合良好。根据所建立的动力学方程,分析了梁理论的局限性,研究了铺层角度、长径比、厚径比、边界条件及环向波数对复合材料圆管阻尼特性的影响。结果表明：壳理论模型能对复合材料圆管的弯振阻尼特性进行准确分析,梁理论模型仅在轴向振动损耗占优的情况下比较准确;一弯模态损耗因子随长径比的增大而减小,在大于10时趋于定值;厚径比对一弯模态损耗因子影响较小;一弯模态损耗因子随铺层角度的增大先减小再增大后轻微减小,在铺层角度<30°和>75°时,双边固支边界的一弯模态损耗因子最大,在30°~75°之间时,悬臂边界的最大。     

物理模型及边界条件对直流蒸发管两相流不稳定性边界影响研究

本文研究不同边界条件及物理模型对两相流不稳定性边界的影响。采用RELAP5程序模拟直流蒸发管内的两相流不稳定性实验工况,对计算程序和模型进行验证,分析恒定流量及恒定压降两种边界条件、并联管数量、轴向功率分布形式和传热管热容等不同边界条件和物理模型对不稳定性边界的影响。结果表明：恒定压降边界条件下,单根管、2根并联管和多根并联管的不稳定性边界差别小于5%;恒定流量边界条件下,多根并联管不稳定性边界和2根并联管相比差别小于5%,而与单根管不稳定性边界的差别则超过100%;并联管根数相同时,恒定流量边界条件的稳定性好于恒定压降边界条件;沿流动方向（轴向）功率递增分布时,系统稳定性好于沿流动方向功率均匀分布,沿流动方向功率均匀分布时,系统稳定性好于沿流动方向功率递减分布;当管壁厚度为0~20 mm时,管壁热容对不稳定性边界几乎没有影响。     

整体针翅管流动阻力特性实验研究

对润滑油竖直纵向冲刷下的整体针翅管进行了阻力特性的实验研究.通过分析针翅管的翅高、节距和加工方向对针翅管阻力系数的影响,发现整体针翅管的流动阻力明显高于光管的流动阻力,不同结构参数的针翅管的阻力系数差别较大.在各影响因素中,翅高的影响占主导地位,阻力系数随着翅高的增加而成倍增加.由于三维翅片表面对流动的扰动和破坏,当润滑油的雷诺数达到200～300时,流动阻力曲线将发生转折.     

Flow-induced vibration and fretting-wear predictions of steam generator helical tubes

This paper addresses the potential flow-induced vibrations and fretting-wear of helically coiled tubes of the once-through steam generator employed at an integral type nuclear reactor, where the tubes are subjected to liquid cross-flow externally and multi-phase flow internally. The thermal-hydraulic conditions of both tube side and shell side flow fields are predicted using a general purpose computational fluid dynamics code using the finite volume element modeling. To get the natural frequency and corresponding mode shape of the helically coiled tubes with various conditions, a finite element analysis code is used. Based on the results of both the thermal-hydraulic analysis of helically coiled tube steam generator and the modal analysis of the tubes, predictions of turbulence-induced vibration, fluidelastic instability and fretting-wear of the helically coiled tubes are performed. In the predictions, special emphasis is placed on determining the effects of the number of supports, coil diameter and helix pitch on the natural vibration mode, turbulence vibration amplitude, fluidelastic instability and fretting-wear characteristics of the tubes. The results provide the technical information and bases needed by designers and regulatory reviewers for evaluating the design.     

主泵高压冷却器盘管的流致振动分析

为验证反应堆冷却剂泵(简称主泵)用高压冷却器结构设计在正常运行工况下可避免流致振动的发生,本研究依次从漩涡脱落、流体弹性不稳定和湍流激励3个方面分析了高压冷却器的壳侧流体对中间盘管振动产生的影响。采用预应力模态分析得到了螺旋管的固有频率为1.877 Hz,便于后续评定的对比;针对最大流通面积和最小流通面积2种极限情况分别计算了漩涡脱落频率,得到固有频率与漩涡脱落频率的比值均小于2;应用卡曼涡流频率计算得出螺旋管的流弹不稳定临界流速大于壳侧间隙流速,说明壳侧流体的流速未达到螺旋管的流弹不稳定临界流速;选用合适的螺旋管束半经验模型计算得到湍流激振的中心主频率是螺旋管固有频率的3.76倍。漩涡脱落、流体弹性不稳定和湍流激励的计算分析结果充分证明高压冷却器的结构设计是安全合理的,可满足核电厂的使用要求。