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上篇 理论部分3

第1章 绪论3

1.1 引言3

1.2 压水堆核电站流致振动分析涉及的主要对象6

1.2.1 蒸汽发生器内部构件6

1.2.2 反应堆堆内构件9

1.2.3 燃料组件13

1.2.4 管道及相关部件14

1.3 研究概况15

第2章 理论基础17

2.1 湍流激振17

2.1.1 湍流激振的随机振动理论公式17

2.1.2 管束湍流激振力功率谱密度函数20

2.2 流体弹性不稳定27

2.2.1 单相流体弹性不稳定的数学模型27

2.2.2 两相流体弹性不稳定的数学模型34

2.2.3 管束流弹失稳半解析模型详解37

2.3 旋涡脱落53

2.3.1 旋涡脱落现象53

2.3.2 弹性管涡致振动的理论模型56

2.3.3 预测涡致振动的改进尾流振子模型67

2.3.4 用尾流振子模型预测弹性管的振动75

2.3.5 内外流作用下管的振动特性78

2.4 声致振动80

2.4.1 声波方程82

2.4.2 节点流道模型83

2.4.3 近似声学方程84

2.4.4 脉动压力谐响应分析86

2.4.5 基于有限元法的声致振动分析86

2.4.6 模态分析的基本原理88

2.5 输流管道的流固耦合91

2.5.1 管道流固耦合的主要形式92

2.5.2 管道线性流固耦合振动分析模型93

2.5.3 输流管道非线性运动方程98

2.6 微动磨损108

2.6.1 Archard磨损模型108

2.6.2 磨损深度模型109

2.6.3 Frick方程模型110

第3章 流致振动分析参数113

3.1 基本运动方程113

3.1.1 静力特性114

3.1.2 动态特性114

3.2 结构振动频率与振型115

3.2.1 理论公式115

3.2.2 有限元方法115

3.3 水动力附加质量118

3.3.1 传热管的水动力附加质量118

3.3.2 反应堆内的水动力附加质量120

3.3.3 燃料组件的水动力附加质量121

3.4 阻尼121

3.4.1 阻尼的测量方法121

3.4.2 管子在气体中的阻尼123

3.4.3 管子在液体中的阻尼123

3.4.4 管子在两相流中的阻尼124

3.5 空泡份额125

3.5.1 现有的空泡份额模型126

3.5.2 现有模型与实验测量值的对比分析128

3.5.3 Dowlati模型和Schrage模型的重新拟合129

3.6 两相流流型135

3.6.1 管束间两相流流型图136

3.6.2 不同流型下的激振力时程138

3.6.3 不同流型下的激振力功率谱密度145

第4章 管束流致振动特性的数值研究149

4.1 流固耦合数值模型149

4.1.1 CFD模型150

4.1.2 结构分析模型153

4.1.3 流体-结构间的双向耦合153

4.2 数值模型的验证154

4.2.1 网格离散156

4.2.2 湍流模型比较158

4.2.3 弹性单管的流致振动响应160

4.2.4 正方形排列管束的流致振动响应162

4.3 单弹性管的流致振动特性162

4.3.1 响应特性162

4.3.2 流场特性170

4.3.3 单向耦合与双向耦合的比较176

4.3.4 与弹性支撑管的比较178

4.4 双弹性管的流致振动180

4.4.1 计算模型180

4.4.2 临界节径比181

4.4.3 临界流速183

4.4.4 运动轨迹186

4.4.5 尾涡结构188

4.5 管束的流致振动191

4.5.1 数值模型191

4.5.2 失稳流速计算192

4.5.3 管束模型研究197

下篇 工程应用207

第5章 蒸汽发生器流致振动分析与评价207

5.1 管束湍流激振分析207

5.1.1 非均匀横向流作用下的管束湍流激振响应计算207

5.1.2 结构模型208

5.1.3 热工水力参数209

5.1.4 计算结果分析211

5.2 管束流体弹性不稳定分析211

5.2.1 结构参数211

5.2.2 热工水力参数212

5.2.3 流体弹性不稳定计算模型214

5.2.4 计算结果分析215

5.3 传热管的声致振动分析216

5.3.1 主泵引起的压力振荡216

5.3.2 泵致脉动压力217

5.3.3 有限元模型219

5.3.4 模态分析219

5.3.5 谐响应分析221

5.4 干燥器振动分析222

5.4.1 干燥器结构简介222

5.4.2 有限元分析模型223

5.4.3 旋涡脱落共振评估224

5.4.4 声致振动分析227

5.5 管束流致振动的试验研究230

5.5.1 机理性试验230

5.5.2 工程验证性试验234

5.6 防振设计241

5.6.1 防振设计与准则241

5.6.2 防振措施242

第6章 反应堆堆内构件流致振动分析与评价245

6.1 综合评价246

6.2 理论分析247

6.2.1 分析内容247

6.2.2 弱流固耦合分析方法248

6.2.3 强流固耦合分析方法250

6.3 基于CFD方法的弱流固耦合分析过程251

6.3.1 有限元模型的建立251

6.3.2 流体激振力计算252

6.3.3 振动响应分析255

6.4 比例模型试验研究259

6.4.1 试验研究内容261

6.4.2 试验测点布置261

6.5 现场实测263

6.6 堆内构件流致振动检查263

6.6.1 检查总则263

6.6.2 堆内构件检查部位264

第7章 燃料组件流致振动分析与评价265

7.1 流体激励265

7.2 磨损机理266

7.3 燃料棒的振动磨损分析267

7.3.1 燃料棒的振动特性267

7.3.2 流致振动与磨损响应268

7.3.3 夹持失效影响研究269

7.4 试验研究275

7.4.1 振动试验275

7.4.2 耐久性试验277

7.4.3 磨损试验278

7.4.4 燃料组件中阻尼的测试方法279

7.5 燃料棒磨损性能的Monte Carlo模拟282

第8章 管道及相关部件的流致振动分析295

8.1 含节流孔板的管道流致振动激励特性和响应分析295

8.1.1 孔板诱发输流管道振动的机理296

8.1.2 湍流激振的理论表达298

8.1.3 孔板诱发脉动压力测量实验305

8.1.4 管道随机振动响应的计算309

8.2 反应堆冷却剂回路温度计套管流致振动分析315

8.2.1 温度计套管结构、材料和流体性能315

8.2.2 温度计套管固有频率和旋涡脱落频率316

8.2.3 横向流动中温度计套管的响应317

8.2.4 温度计套管的振动疲劳分析318

8.3 三通管道的旋涡脱落与声共振319

8.3.1 研究现状321

8.3.2 旋涡脱落分析模型研究323

8.3.3 声共振分析330

附录337

附录A 国内外相关标准规范337

A.1 RG 1.20337

A.1.1 堆内构件分类337

A.1.2 原型堆的综合评价大纲339

A.1.3 非原型Ⅰ类的综合评价大纲340

A.1.4 非原型Ⅱ类的综合评价大纲340

A.1.5 非原型Ⅲ类的综合评价大纲341

A.1.6 非原型Ⅳ类的综合评价大纲342

A.1.7 新旧版RG 1.20对比342

A.2 ASME附录N-1300344

A.3 GB151—1999附录E344

A.4 TEMA第六章345

A.5 其他关于流致振动的标准规范346

A.5.1 HAD102／08《核电厂反应堆冷却剂系统及其有关系统》346

A.5.2 HAF201《研究堆设计安全规定》346

附录B 传热管束流致振动分析软件（SGFIV）理论手册347

B.1 术语及定义347

B.2 物理模型及相关数学模型348

B.2.1 模型总体说明348

B.2.2 模型详细说明及计算方法349

附录C 圆柱体的流致振动响应与磨损预测351

C.1 湍流激振351

C.1.1 圆柱体的振动响应351

C.1.2 湍流激励谱352

C.1.3 湍流产生的能量谱352

C.1.4 基于对激励类型做特别假设的有效计算353

C.1.5 轴向、横向湍流引起的振动振幅355

C.2 流弹失稳357

C.2.1 稳定性准则357

C.2.2 有效横流速度357

C.3 旋涡脱落357

C.3.1 旋涡脱落共振358

C.3.2 旋涡脱落引起的最大振幅358

C.4 磨损计算359

C.4.1 Archard磨损公式359

C.4.2 滑动阀值359

C.4.3 瞬态棒／刚凸接触力359

C.4.4 总滑移距离360

C.4.5 包壳磨损深度的计算360

参考文献363

索引381