两交错排列弹性管的流致振动特性研究

为了深入研究反应堆结构中诸如燃料棒、蒸汽发生器传热管束等的流致振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程,利用有限元方法离散结构动力学方程,并结合动网格技术建立了模拟双向流固耦合作用的三维数值模型,实现了弹性管与弹性管之间以及弹性管与湍流流场之间的交互作用。利用该模型分别研究了节径比P/D为1.2、1.6、2.0、3.0、4.0的两交错排列弹性管在横向湍流作用下的振动响应及流场特性。通过分析发现:两交错排列弹性管的运动轨迹和尾涡结构与其间距、流速密切相关;两交错管的临界节径比为2.0;P/D=3.0时双管的临界流速Upr=2.2,P/D=1.6时双管的临界流速Upr=4.0。     

直管束流固耦合振动的数值模拟

为了研究反应堆结构中的诸如燃料棒、蒸汽发生器和其它换热器传热管束等的流体-结构交互作用问题,利用有限体积法离散大涡模拟(large eddy simulation, LES)的流体控制方程,用有限元方法求解结构动力学方程,并结合动网格技术,建立三维流体诱发振动的数值模型,模拟直管束中流体的流动及结构振动,实现计算结构动力学(computational structure dynamics, CSD)与计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)之间的联合仿真．首先,基于流固耦合方法对单管的流致振动特性进行了详细分析,得到了其动力学响应与流场特性;其次基于建立的传热管束流致振动计算模型,研究了两并列管、两串列管以及3×3正方形排列管束的流致振动行为．     

三维横向流体诱发直管振动的数值研究

基于计算流体力学和计算结构动力学,并考虑流体-结构两个物理场之间的相互作用,利用有限体积法及LES方法离散非稳态、粘性、不可压缩湍流流场;采用有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下传热管流致振动计算的三维仿真模型。首先,基于建立的模型得到了横流作用下传热管的振动响应,并通过与已有的文献数据进行比较发现,两者趋势一致、数值上吻合较好,证明了本文模型的合理性;其次,在较宽的折减速度和频率比范围内,研究了直管的响应、流体力系数、涡脱落频率,并通过管表面压力分布、尾流区的时均速度等分析了时均流场特性;第三,研究了两种折减速度的归一化方法,指出对于三维弹性管的流体诱发振动问题,采用通用的折合速度来表示响应图能清晰地表征其响应特征;最后,比较分析了弹性支撑刚性管与弹性管的流体诱发振动特性。结果表明,对于三维弹性管的流体诱发振动计算应考虑结构的弹性变形与流体流动间的相互作用。     

CFD-半解析模型混合的管束结构流弹失稳预测方法

横向流作用下管束结构传统流弹失稳模型的建立或多或少需要获取实验流体力参数作为输入条件.因此非常需要开发一种不依赖实验数据的管束结构流弹失稳模型.该文提出了一种改进的CFD仿真与半解析方法混合的管束结构流弹失稳预测方法.采用CFD仿真方法获取半解析模型中关键的相位延迟函数,并根据速度将其表示为简单的分段函数.最终预测了横向流作用下间距比为1.375的平行三角形与正三角形管束结构的流弹失稳阈值,预测结果与文献中的实验结果吻合良好.该文提出的CFD 半解析模型混合方法同样适用于其他管束结构的流弹失稳预测,为蒸汽发生器传热管流弹失稳现象的研究提供了一种时间成本较低的预测方法.     

三维弹性管的涡致振动特性分析

采用有限体积法联合大涡模拟方法求解三维湍流流场,采用有限元法离散弹性管结构,对Re=1.35×104的湍流流动作用下三维弹性管的涡致振动进行了数值模拟,结构的动力学响应用Newmark算法来求解,管的运动采用基于扩散光顺方法的动网格模型来实现.利用建立的数值模型,分析了升力系数、阻力系数、位移、涡脱频率、相位差随频率比的变化特征,成功扑捉到锁定、相位开关,并联合运动轨迹、相图及Poincaré截面映射,研究了升力系数与横向位移的极限环与分叉等非线性特性.研究结果表明,在阻力系数的最小值处,横向振幅达到最大值,同时,横向响应的"锁定"也始于阻力系数最小值处;在"锁定"范围内,横向振幅随着频率比的增大而逐渐减小;在升力系数的最小值处,升力系数与位移间的相位由反相变为同相;在均匀湍流流动作用下,三维弹性管的升力与横向位移并未出现周期解的分叉.     

三维横向流体诱发直管振动的数值模拟

基于有限体积法和有限元法,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下三维弹性直管流致振动计算的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的联合仿真．首先,通过对刚性管的静止绕流计算,研究了网格离散方式和不同湍流模型对圆柱类结构静止绕流流场特征的影响和预测能力,得到了适用于双向耦合分析的CFD模型;其次,利用基于双向流固耦合方法的流致振动模型,计算并分析了流体力与结构位移间的相位关系,指出流体力与位移间的相位差是由流体力引起的,同时对双向耦合和单向耦合进行了比较分析;最后通过对直管流致振动的数值计算,联合管表面压力、尾流区时均速度、分离角等时均量,分析了尾流区的流场特征.