[发明专利]一种蒸汽发生器管束两相横向流弹失稳分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种蒸汽发生器管束两相横向流弹失稳分析方法，提出的两相横向流弹失稳的解析模型，分析核反应堆中蒸汽发生器管束两相横向流弹失稳是否发生的一种方法。

背景技术

流弹失稳机理与航天工业中广泛研究的颤振现象相同，不稳定性的主要参数是系统的阻尼和流体弹性力。横向流作用下的管束，当流速增加到一定值时，系统中流体弹性力所做的功将大于系统阻尼散耗的功，因此管子振动的振幅将急剧增大，这时就称出现了流弹失稳。

从理论上看，流体弹性力应该通过求解一组联立的流体力学和结构动力学方程得到。但由于我们涉及的问题通常十分复杂，如大量的换热管，复杂的边界条件和高雷诺数的流动等，使得从理论上进行求解十分困难，甚至是不可能的。通常的做法是根据大量的实验结果，提出简化的数学物理模型。在这些模型中，流体力一般不再以独立方程的形式出现而是表示成与结构的位移、速度和加速度等有关的函数，这种关系体现了流体作用使结构产生位移和变形，而结构的位移和变形又改变了流体作用这样一个流固耦合振动的事实。

目前，已有分析管阵流弹失稳的模型，主要为拟静力(如Connors模型)、拟定常(如Paidoussis模型)、非定常流模型(如Chen模型)及解析模型(Yetisir流管模型)。分析管阵临界流速时，拟静力、拟定常和非定常流模型的流体弹性力都不同程度地依赖于实验数据，且这些模型中的一些参数是在一定条件下、针对某个管阵形式得到的，有一定的保守性和不确定性，并不能对所有实际问题给出可靠的临界流速。而解析模型则是根据大量的实验结果，对流体弹性系统作一些简化，用比较成熟的数学、力学方法，得到流体弹性力。尽管这类模型与实际情况还有一定差距，有待于进一步完善，但无疑是一类具有普遍意义的数学模型。

现有的解析方法计算过程比较繁琐，甚至需用到数值计算，且都是针对单相流弹失稳的分析，如果用其分析两相流弹失稳问题，还需将气-液两相流等效为单相流，这一方法的有效性也有待考证。

发明内容

本发明的目的是：本发明是为了克服核反应堆蒸汽发生器换热管流弹失稳而导致的管束破坏问题，而提出一种蒸汽发生器管束两相横向流弹失稳分析方法。包括以下步骤：

1两相横向流弹失稳参数确定

热交换器通常有四种典型的管阵几何排列形式，对于所有的几何排列形式，解析模型的基本概念是相同的，排列形式只是影响模型中使用的试验参数。具体以平行三角形管束为例，而对于旋转三角形和旋转正方形管束(P_r>1.7)，流体力F_y具有同样的形式，除了它需要除以2cosα，这是由于所定义的最小间距扰动面积函数a(s_m,t)具有不同的形式。

1.1基本定义

引入“流管”概念，平行三角形管阵流管模型。曲线坐标s用以表示流动路径，流管的平均横截面积在整个流管上假设为常数，且由-s₁位置的最小间隙面积A₀确定。

A₀＝min(Pcosα-D/2,P-D)

瞬时流管面积A(s,t)会随着管子的振动而改变，A(s,t)包含两项：平均项A₀，和波动项a(s,t)。

A(s,t)＝A₀+a(s,t)

同样的，速度和压力定义为：

U(s,t)＝U₀+u(s,t)，P(s,t)＝P₀+p(s,t)

然而，在足够远的上游位置s₁，扰动可以忽略，速度和压力可以分别视为常数U₀和P₀，流管假设在s_a位置开始附着于柔性管，并在s_s位置分离。

管子的振动不能立刻影响到流管的其它位置，因此，采用一个相函数来考虑扰动延迟效应。上游微扰函数a(s,t)可以表示为

f(s)为人工衰减函数，用以表示从柔性管的位置到上游点的微扰衰减。a(s_m,t)是最小间隙位置的面积微扰，是管子几何的函数。

1.2两相横向流弹失稳试验参数确定

唯一依赖于试验输入的参数为开始产生附着和分离点的位置，这可以通过Weaver和Abd Rabbo以及Scott的可视化研究进行估计。四种典型的管阵排列的可以归为以下两组：

注：β为流体附着表面的法向矢量角度