[发明专利]蒸发器管束两相流功率谱密度相关长度的获取方法及系统

说明书

本发明公开了蒸发器管束两相流功率谱密度相关长度的获取方法及系统，该方法包括：基于两相流的无量纲参考等效功率谱密度、蒸汽发生器传热管结构的二次侧流场参数和待定的相关长度，得到所述结构两相流的功率谱密度函数；得到所述结构两相流的功率谱密度函数的傅里叶半谱及傅里叶全谱；采用IFFT方法，把得到的频域的功率谱密度转换到时域，得到作用在传热管上的湍流激励力时程，并将其施加到蒸汽发生器传热管上，计算蒸汽发生器传热管由随机湍流激励诱发的振动响应，基于试验测量值确定不同空泡份额下的功率谱密度函数相关长度和空泡份额因子；根据不同空泡份额下的空泡份额因子，采用拟合方法确定两相流功率谱密度函数相关长度的计算方法。

技术领域

本发明涉及反应堆结构力学技术领域，具体涉及蒸发器管束两相流功率谱密度相关长度的获取方法及系统。

背景技术

在核反应堆中，引发流致振动的机理主要包括湍流激振、流弹失稳、漩涡脱离和声共振。由于核反应堆中流体流速相对较高，蒸汽发生器传热管、燃料棒、泵和阀门中几乎处处存在湍流。

湍流激振是指：湍流在流经的结构表面上会产生脉动压力，在脉动压力的作用下结构会产生振动。湍流中脉动变化的压力和速度场不断供给结构能量，当湍流脉动的主频率与结构的固有频率相近时，结构吸收能量并产生振动。湍流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性。湍流激振是导致部件发生疲劳、磨损乃至失效的重要原因。

根据国内外核电站中对蒸汽发生器部件失效的多例事故的统计分析可知，随机湍流激励导致的传热管流致振动和与其相关的冲击磨损、微动接触疲劳加上介质腐蚀使得管壁逐渐变薄，是导致传热管承压能力降低而破裂的主要原因。湍流激振对结构的影响是长期并且无法避免的，为确保结构在使用寿期内的完整性，只能通过优化结构设计和调整流速，将湍流引起的结构振动响应控制在可接受的范围之内。

目前对随机湍流激励振动的研究方法主要有三种：一是同时考虑流体对结构以及结构变形对流场的影响，联立流体方程和固体方程并同时求解，该方法可以将流固耦合效应考虑得更为充分，但目前这一问题尚未得到严格的数学解；二是进行合理假设，通过等效功率谱密度确定作用在结构上的随机激励力，利用经典的随机振动理论计算结构各阶模态的位移均方根响应，进行平方和平方根组合，得到结构在随机湍流激励下的振动响应，该方法简单、高效，但是无法考虑间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素；三是采用瞬态分析的方法，将湍流激励力时程施加到结构上，计算结构在随机湍流激励下的振动响应，该方法可以考虑间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素，难点在于获得作用在结构上的湍流激励力时程。

综上所述，本发明的发明人在实现本发明实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，计算代价很大，目前计算结果与实测结果存在较大偏差，难以用于实际工程问题的随机湍流激励振动分析和设计改进；基于经典随机振动理论的分析方法，无法考虑间隙、碰撞和摩擦等与冲击磨损、微动接触疲劳相关的非线性因素。

发明内容

本发明目的在于提供蒸发器管束两相流功率谱密度相关长度的获取方法及系统，本发明基于全局优化拟合，可以高效、便捷地确定蒸汽发生器传热管中两相流功率谱密度函数的相关长度；本发明结合无量纲等效功率谱密度和二次侧流体参数，可以得到两相流中传热管各个位置的功率谱密度函数。在需要考虑蒸汽发生器传热管包含的间隙、碰撞和摩擦等多种非线性因素，管束动力模型为非线性时，为功率谱密度转湍流激振力时程提供了必要的输入，为管束类设备的随机湍流激励振动分析、设计改进和安全评价采用更为准确的瞬态分析方法奠定基础。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种蒸发器管束两相流功率谱密度相关长度的获取方法，该方法包括：

S1，基于两相流的无量纲参考等效功率谱密度、蒸汽发生器传热管结构的二次侧流场参数和待定的相关长度，得到所述蒸汽发生器传热管结构两相流的功率谱密度函数；