[发明专利]一种换热器紊流抖振响应的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及反应堆结构力学领域，尤其涉及一种换热器紊流抖振响应的计算方法。

背景技术

在核能、火电、石油化工装备中有大量的换热装置。这些换热装置在运行过程中的流致振动问题一直困扰着工程界。到目前为止，学术界比较认同的流致振动机理是“漩涡脱落”、“紊流抖振”、“流体弹性不稳定”、“声共振”等。其中，由于紊流抖振的作用是长期的且无法避免，需要在核蒸汽发生器等换热器的设计阶段计算紊流抖振响应，用于磨损和疲劳分析，以预测换热器长期运行的安全性。

传热管管束的紊流抖振现象是指：换热器壳侧流体流经管束时产生紊流，紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管子能量，管子吸收能量并产生振动。紊流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性，紊流抖振响应计算需要用到随机振动分析方法。

在换热器的流致振动分析时，由于紊流引起的管束振动幅值不大，通常将紊流抖振视为弱流固耦合问题，即首先确定流体激励的功率谱密度(PSD)，再计算管束的随机振动响应。这里将流体作用在结构上与结构运动无关的流体力称为激振力。紊流抖振分析的关键在于确定激振力的PSD。如果能够得到激振力的PSD，就得到了管束振动分析的激励输入参数，再结合一定的假设条件，就可以根据随机振动理论，计算得到管束的振动响应，从而可以进一步评价由于紊流抖振引起的磨损和疲劳损伤。

在单相流中，紊流激振力的实验研究开展得较为充分。通过大量的实验，可以得到不同的流体介质和管束排列情况下的激振力。这些实验数据通过理想的无量纲方法进行比对，就可以很自然的得到激振力的包络谱。目前大家公认的无量纲方法是用动压头缩减激振力，用节距流速与管径的比来缩减频率，即

Φ‾E0(f/f0)=f0(p0D)2ΦE0(f)p0=12ρUp2f0=Up/D---(7)]]>

式中，为单位管长上激振力的等效参考PSD，而为的无量纲值。通过式(7)可以将大量不同流场条件下激振力的实验结果折算为可方便比较的无量纲PSD，从而可以合理的确定激振力PSD的包络曲线。

对于两相流来讲，类似的研究工作没有单相流那样顺利。在空泡份额低于10％时，两相流的随机力与单相流类似，可以使用单相流的包络谱。当空泡份额较高时，两相混合物的影响开始起主导作用。由于两相流与单相流相比有很多本质的不同，单相流激振力的归一化方法及PSD包络谱并不适用于两相流，用单相流激振力的PSD包络谱对两相流作用下的管束进行振动响应计算也并不保守。