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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 1.20 337

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-1300 344

A.3 GB151—1999附录E 344

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