密度计算公式|基于瞬态分析的反应堆棒状结构湍流激振分析方法、装置及过程

1.本发明涉及反应堆结构力学技术领域，具体涉及内部构件的导管、支撑柱、燃料棒等棒状结构在湍流作用下的激振响应的详细评价励磁; 杆状结构湍流振动分析方法及装置。

背景技术：

2.在核反应堆中，引起流激振动的机制主要包括湍流激发、杂弹不稳定性、涡流脱离和声共振。由于核反应堆中的流体速度相对较高，因此在反应堆内部、燃料棒、泵和阀门中几乎到处都存在湍流。

3.湍流激励是指湍流会在流过的结构表面产生脉动压力，结构在脉动压力的作用下产生振动。湍流中的脉动压力和速度场不断地为结构提供能量。当湍流脉动的主频率接近结构的固有频率时，结构吸收能量并振动。湍流脉动频率范围宽，随机性强。湍流激励是导致部件疲劳、磨损甚至失效的重要原因。

4.根据对国内外核电站反应堆部件多次失效事故的统计分析，可以看出随机湍流激励引起的各种反应堆部件的流激振动以及相关的冲击磨损和疲劳老化是导致其失效的主要因素。原因。湍流振动对结构的影响是长期的、不可避免的。为了保证结构在其使用寿命内的完整性，只有通过优化结构设计和调整流量，才能将湍流引起的结构振动响应控制在可接受的范围内。里面。

5.目前对于随机湍流激振的研究主要有3种方法。固体耦合效应考虑得比较充分，但这个问题还没有得到严格的数学解；二是做出合理假设，通过等效功率谱密度确定作用在结构上的随机激振力，利用经典随机振动理论计算结构各阶模态的位移均方根响应与平方根来获得结构在随机湍流激励下的振动响应。该方法简单高效，但不能考虑间隙、碰撞、摩擦等各种非线性因素；三是利用瞬态分析方法，将湍流激振力时程应用于结构，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、碰撞和摩擦等各种非线性因素。难点在于获得作用在结构上的湍流激振力的时间历程。

6.综上所述，本技术发明人在实施本技术实施例所发明的技术方案的过程中，发现上述技术至少存在以下问题：

7.双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，计算成本非常高。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中的随机湍激振动分析和设计改进；基于经典随机振动理论的分析方法不能考虑间隙、碰撞和摩擦等与冲击磨损和微动接触疲劳相关的非线性因素。

技术实施要素：

8.本发明要解决的技术问题是现有的双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，计算成本非常高。随机的

湍流激振分析与设计改进；基于经典随机振动理论的分析方法无法考虑间隙、碰撞、摩擦等与冲击磨损和微动接触疲劳相关的非线性因素。

9.本发明的目的是提供一种基于瞬态分析的反应堆棒状结构湍流振动激励分析方法及装置。谱密度相关长度数据库通过快速傅里叶逆变换，可以很容易地得到结构上湍流引起的随机激振力时程。当棒束动力学模型为非线性时，本发明可以考虑反应堆内构件棒状结构所包含的间隙、碰撞、摩擦等各种非线性因素，计算棒状结构在下任意位置的结构响应。横向随机湍流激励，并详细评估。

10.本发明通过以下技术方案实现：

11.基于瞬态分析的反应堆棒状结构湍流激振分析方法，该方法包括：

12.得到反应堆内部棒状结构的结构参数和反应堆三维流场中棒状结构的流场参数；

13.根据杆状结构的结构参数和流场参数，利用相关长度数据库插值得到特定结构参数下的相关长度；

14.基于无量纲参考等效功率谱密度，流场参数（即棒状结构的流场参数在反应器三维流场中的流速）和相关长度，计算功率谱密度sf(f)；

15.计算功率谱密度sf(f)的傅里叶半谱xh(f)和功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f)；

16.通过快速傅里叶逆变换ifft方法将功率谱密度sf(f)的全傅里叶谱x(f)转换为频域到时域的功率谱密度，沿长度方向对杆状结构进行积分，得到作用在杆状结构上的湍流激振力的时间历程x(t)；

17.将湍流激振力时程x(t)应用于棒状结构，计算随机湍流激励引起的棒状结构的振动响应；

18.根据振动响应，分析处理得到节点的位移、力的均方根值、最大值和响应的时程曲线。

19.进一步，杆状结构在反应堆三维流场中流场参数的获取是利用计算流体动力学软件对反应堆三维流场进行稳态分析。反应堆内部构件，得到反应堆内棒状结构的三维流场。流场中的流场参数。

20.进一步，杆状结构的结构参数包括杆状结构的几何尺寸、材料性能、支撑形式、振动模式和频率。

21.进一步，流场参数包括杆外流体的密度和流速。

22.进一步，相关长度数据库为：

[0023] [0024]

表中：d为杆结构外径，p为节距；

[0025]

进一步，基于无量纲参考等效功率谱密度、流场参数和相关长度，计算功率谱密度sf(f)；使用的公式如下：

[0026]

当0.01≤fr<0.5，

[0027]

当fr>0.5，

[0028] fr

=f/f0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ

(3)

[0029]

f0=u

p

/d

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ

(4)

[0030] [0031] [0032]

式中，fr为降低频率，f0和p0为归一化因子，f0为降低频率，p0为降低压力，u

p

是间隙流量，λc是相关长度，ρ是反应堆冷却剂密度，fs是采样频率，n是采样点数；是无量纲参考等效功率谱密度，sf(f) 是功率谱密度。

[0033]

进一步，计算出的功率谱密度sf(f)的傅里叶半谱xh(f)和功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f)；具体包括：

[0034]

根据该定理，计算得到功率谱密度sf(f)的傅里叶半谱xh(f)；

[0035]

生成一组随机相位并计算功率谱密度 sf(f) 的完整傅立叶谱 x(f)；

[0036]

在，

[0037] [0038]

其中 sf(f) 是功率谱密度，n 是采样点的数量，fs 是采样频率，x(f) 是功率谱密度 sf(f) 的完整傅里叶谱，xh(f) 是傅里叶半谱的功率谱密度 sf(f) )。

[0039]

进一步根据振动响应进行分析处理，得到节点的位移、力的均方根值、响应的最大值和时程曲线；具体包括：

[0040]

当棒束动力学模型为非线性时，考虑反应堆内构件棒结构中包含的间隙、碰撞、摩擦等各种非线性因素，计算棒结构在横向随机湍流激励下任意位置的结构响应；

[0041]

计算节点的位移、力的均方根值、最大值和响应的时程曲线。

[0042]

此外，该方法适用于单相流中横流激励下的结构。

[0043]

此外，该方法用于反应器内部构件的流致振动分析。

[0044]

在第二方面，本发明还提供了一种基于瞬态分析的反应堆中棒状结构的湍流激振分析装置，该装置包括：

[0045]

采集单元，用于采集反应堆内件棒状结构的结构参数和反应堆三维流场中棒状结构的流场参数；

[0046]

相关长度计算单元，用于根据杆状结构的结构参数和流场参数，利用相关长度数据库插值得到特定结构参数下的相关长度；

[0047]

功率谱密度计算单元，用于根据无量纲参考等效功率谱密度的流场参数（即三者中杆状结构的流场参数的流速）计算功率谱密度sf -反应器的维流场）和相关长度（f）；

[0048]

傅里叶半谱和全谱单元，用于计算功率谱密度sf(f)的傅里叶半谱xh(f)和功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f) ;

[0049]

湍流激振力时程计算单元，用于通过功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f)的快速傅里叶逆变换ifft方法将频域的功率谱密度转换为时域，沿杆状结构在长度方向上积分，得到作用在杆状结构上的湍流激振力的时间历程x(t)；

[0050]

振动响应单元将湍流激振力时程x(t)应用于棒状结构，计算随机湍流激励引起的棒状结构的振动响应；

[0051]

分析处理单元用于根据振动响应进行分析处理，得到节点的位移、力的均方根值、最大值和响应的时程曲线。

[0052]

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

[0053]

1、本发明利用反应堆内件棒状结构的湍流激励功率谱密度相干长度数据库，通过快速傅里叶逆变换。

[0054]

2、在本发明中，当棒束动力学模型为非线性时，本发明可以考虑反应堆内件棒状结构所包含的间隙、碰撞、摩擦等各种非线性因素，计算任意任意一个横向随机湍流激励下的棒状结构。对位置的结构响应。

[0055]

3、本发明可以详细评估和分析结构变化和运行参数变化对湍流激励下反应堆内件棒状结构激振的影响，为结构优化设计和提供技术支持。运行参数调整。

[0056]

4、本发明所有过程均由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算传热管湍流激励响应时程分析所需的时程输入蒸汽发生器。

图纸说明

[0057]

这里所描述的附图用于提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

[0058]

图1是本发明基于瞬态分析的叠层杆结构湍流振动激励分析方法的流程图；

[0059]

图2为本发明实施例的导筒模型示意图；

[0060]

图3为本发明实施例反应堆压力容器进出口水平剖面速度云图。

[0061]

图4为本发明实施例中的功率谱密度sf(f)；

[0062]

图5为本发明实施例中湍流激振力时程及对应的原始psd和计算的psd曲线；

[0063]

图6为本发明实施例中导筒在随机湍流激励下的位移均方根值和最大值；

[0064]

图7为本发明实施例中导筒在随机湍流激励下的位移时程及频谱图。

[0065]

图8为本发明实施例随机湍流激励下导筒位移分布的直方图。

[0066]

图9为本发明实施例随机湍流激励下导筒剪切力的均方根值和最大值。

[0067]

图10为本发明实施例中导筒在随机湍流激励下的剪切力时程及频谱图；

[0068]

图11为本发明实施例随机湍流激励下导筒剪切力分布的直方图。

[0069]

无花果。图12是本发明的基于瞬态分析的反应堆棒状结构的湍流振动激励分析装置的结构图。

详细说明

[0070]

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。作为本发明的限制。

[0071]

示例 1

[0072]

如图所示。1、图 附图说明图1是本发明的基于瞬态分析的反应堆中棒状结构的湍流激振分析方法。在核反应堆中，有大量的棒状部件，如导向筒、支撑柱、燃料棒等。本实施例以导筒为研究对象，模型示意图如图1所示。2. 导筒包括上导筒、下导筒、导板和开口销。本发明实施例中使用的模型参数如表1所示。

[0073]

表1 模型参数

[0074]

参数 数值 参数 数值 弹性模量 e, pa1.80

11

反应堆冷却剂密度ρ，kg/导筒外径d，m0.2274螺距，m0.4307上导筒长度l1，m1.5845下导筒长度l22.4663

[0075]

为了更好地理解上述技术方案，下面结合附图和具体实施例对上述技术方案进行详细说明。基于瞬态分析的反应堆杆状结构湍流振动激励分析方法的实施步骤如下：

[0076]

s10、利用计算流体动力学软件对反应堆内部的三维流场进行稳态分析，得到反应堆三维流场中棒状结构的流场参数（速度分布）。反应堆压力容器进出口水平剖面速度云图如图3所示。其中流场参数包括棒外流体的密度和流速。

[0077]

s20、根据杆状结构的结构参数和流场参数（速度分布），使用相关长度数据库，通过插值得到特定结构参数下的相关长度；其中，杆状结构的结构参数包括杆状结构的几何尺寸、材料特性、支撑形式、振型和频率。

[0078]

s30，根据公式（1)～公式（说明中的4)）反应器三维流场中流场参数的流速确定无量纲等效参考功率谱密度)和相关长度来确定功率谱密度sf(f)，如图4所示，图4的横坐标是频率，纵坐标是功率谱密度sf(f(f) )。

[0079]

s40、根据定理计算得到功率谱密度sf(f)的傅里叶半谱xh(f)。

[0080]

s50，基于一组随机相位得到功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f)。

[0081]

s60，将功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f)通过快速傅里叶逆变换ifft方法从频域功率谱密度转换到时域，沿长度方向积分棒状结构获得作用在棒状结构上的湍流激振力的时间历程x(t)；如图5所示，图5为湍激振力的时间历程及对应的原始psd和计算得到的psd曲线，图5上半部分横坐标为频率，纵坐标为功率谱密度sf( F）; 图5下半部分横坐标为时间，纵坐标为湍流激振力。

[0082]

s70，对棒状结构施加湍流激振力的时间历程x(t)，计算随机湍流激励引起的棒状结构的振动响应；

[0083]

s80，输出结果，进行分析处理，获取并查看节点位移、力的均方根值、最大值、响应的时程曲线。随机湍流激励下导管位移的均方根值和最大值如图6所示，位移时程及其频谱如图7所示，位移分布直方图如图6所示8个；剪力的均方根值和最大值如图 6 图 9 所示，剪力的时间历程及其频谱如图 10 所示，剪力分布的直方图如图 11 所示。

[0084]

在实际应用中，商用有限元软件为：ansys，数值计算软件为：.

[0085]

本发明基于基于瞬态分析的堆内杆状结构湍流激励分析方法，基于本发明提供的湍流激励功率谱密度相关长度数据库，随机激振力通过快速傅里叶逆变换可以方便地得到湍流引起的结构。时间课程。当棒束动力学模型为非线性时，本发明可以考虑反应堆内件棒状结构所包含的间隙、碰撞、摩擦等各种非线性因素，计算棒状结构在任意位置的结构响应在横向随机湍流激励下。处理程序基于ansys平台的apdl语言编译，

[0086]

本发明的方法适用于单相流中横流激励下的结构，用于反应堆内件的流致振动分析。

[0087]

示例 2

[0088]

如图所示。如图12所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例提供了一种基于瞬态分析的叠层杆状结构湍流激振分析装置，该装置包括：

[0089]

采集单元，用于采集反应堆内件棒状结构的结构参数和反应堆三维流场中棒状结构的流场参数；

[0090]

相关长度计算单元，用于根据杆状结构的结构参数和流场参数，利用相关长度数据库插值得到特定结构参数下的相关长度；

[0091]

功率谱密度计算单元，用于根据无量纲参考等效功率谱密度的流场参数（即三者中杆状结构的流场参数的流速）计算功率谱密度sf -反应器的维流场）和相关长度（f）；

[0092]

傅里叶半谱和全谱单元，用于计算功率谱密度sf(f)的傅里叶半谱xh(f)和功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f) ;

[0093]

湍流激振力时程计算单元密度计算公式，用于通过功率谱密度sf(f)的傅里叶全谱x(f)的快速傅里叶逆变换ifft方法将频域的功率谱密度转换为时域，沿杆状结构在长度方向上积分，得到作用在杆状结构上的湍流激振力的时间历程x(t)；

[0094]

振动响应单元将湍流激振力时程x(t)应用于棒状结构，计算随机湍流激励引起的棒状结构的振动响应；

[0095]

分析处理单元用于根据振动响应进行分析处理，得到节点的位移、力的均方根值、最大值和响应的时程曲线。

[0096]

各单元的执行过程可以按照实施例一中描述的基于瞬态分析的叠层杆状结构湍激振动激励分析方法的流程和步骤执行，本实施例不再赘述.

[0097]

本发明可以详细评估和分析结构变化和运行参数变化对湍流激励下反应堆内件棒状结构诱发振动的影响，为结构优化设计和运行调整提供技术支持。参数。(4)本发明所有过程均由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算传热管湍激响应时程分析所需的时程输入的蒸汽发生器。并提供结构优化设计和运行参数调整提供技术支持。(4)本发明所有过程均由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算传热管湍激响应时程分析所需的时程输入的蒸汽发生器。并提供结构优化设计和运行参数调整提供技术支持。(4)本发明所有过程均由计算机程序实现，计算结果可靠，可用于计算传热管湍激响应时程分析所需的时程输入的蒸汽发生器。

[0098]

如本领域技术人员将理解的，本技术的实施例可以作为方法、系统或计算机程序产品来提供。因此，该技术可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。此外，本技术可以采取在一个或多个计算机可用存储介质上实现的计算机程序产品的形式，该存储介质具有其中包含的计算机可用程序代码，包括但不限于磁盘存储、cd-rom、光存储和喜欢。

[0099]

参考根据本技术的实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本技术。应当理解，流程图和/或框图中的每个流程和/或框，以及流程图和/或框图中的流程和/或框的组合，可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机、

[0100]

这些计算机程序指令也可以存储在能够引导计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式运行的计算机可读存储器中，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括的制品指令装置，指令装置实现在流程或流程图的流程和/或框图的一个或多个块中指定的功能。

[0101]

这些计算机程序指令也可以加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，以在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，该过程是

在其他可编程设备上执行的指令提供了用于实现在流程图的流程或块和/或框图的块或块中指定的功能的步骤。

[0102]

以上具体实施例对本发明的目的、技术方案和有益效果作了进一步的详细说明。应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内密度计算公式，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。