冷凝器管束流固声耦合振动特性及声辐射预报技术研究

Condenser as the primary condensing equipment for nuclear submarines an important part of steam power system connected to the steam turbine and seawater pipes for steam system and cooling system, under the condition of the vibration noise along with the water from the sea pipe into the water from spent and bottom steam, result to the serious influence of concealment. Steam and cooling water in the condenser tube bundle for heat exchange interface, controlled by steam fluid and sound and solid coupling vibration noise and influence each other. Pipe bundle vibration will affect the fluid inside and outside, accelerating the flow field is not stable. When the steam flow rate exceeds the critical velocity of fluid elastic instability phenomenon will occur, prone to impact damage, such as barrier damage vibration damage. Due to the complexity of condenser work state, bundles and tube plate supporting is effective with large randomness, such as the more tube failure probability and vibration characteristic, research published literature has been observed. Project according to bundle coupling vibration noise prediction problem, control the discharge of steam flow excited, acoustic shock cases coupled vibration characteristics analysis, research and pipe under the action of fluid coupling noise prediction method. Bundle fluid elastic instability of random vibration characteristics study, analysis of the more tube support in the failure probability of failure cases and vibration characteristics, to explore the effective support condition control fluid elastic instability probability distribution.

冷凝器作为核潜艇最主要凝汽设备，是蒸汽动力系统重要组成部分,连接着汽轮机与海水管道这两大蒸汽系统和冷却系统，承受着乏蒸汽和旁排蒸汽产生的振动噪声，噪声随海水从通海管口向水中传递，严重影响隐蔽性。蒸汽与冷却水在冷凝器中以管束为界面发生热交换，管束受蒸汽噪声作用发生流声固耦合振动并相互影响。管束振动又会影响管内外流体，加速流场不稳定。当蒸汽流速超过临界流速将产生流体弹性不稳定现象，易发生撞击破坏、挡板损伤等振动破坏情况。由于冷凝器工作状态复杂，管束与管板之间支撑是否有效具有较大随机性，诸如多跨管失效概率及振动特性等研究未见有文献发表。项目针对管束耦合振动噪声预报问题，开展管束受排放蒸汽流激、声激情况下耦合振动特性分析，研究与管内流体耦合作用下噪声预报方法；开展管束流体弹性不稳定随机振动特性研究，分析多跨管支撑出现失效情况下的失效概率和振动特性，探索非有效支撑状态下管束流体弹性失稳的概率分布。

本项目针对冷凝器换热管束耦合振动数值预报问题及流体弹性不稳定的随机振动特性开展了理论分析、数值仿真分析和实验验证。探索其振动与声辐射规律和流体诱导破坏机理。.首先开展冷凝器管束与管内外流体双向耦合振动特性三维数值仿真研究，考虑到换热器管束支撑是否有效具有随机性，计算了管束支撑失效情况下多跨换热管的固有频率及振型。在此基础上研究了单管与管外流体、单管与管内外流体、双管与管内外流体双向耦合情况下管束的振动情况，分别模拟多种情况下的管束振动响应，得到了升阻力和位移的时域、频域曲线及St数及管内部流体压力脉动时频域曲线。仿真结果表明：数值模拟方法得到固有频率与理论值相比误差低于3%，固有频率随着支撑失效个数增多而降低。单跨管和多跨管的振动位移时域曲线与升、阻力时域曲线频率一致，振动位移曲线符合8字形且幅值随之流体速度增大而增大。管内流体压力脉动的频率等于管结构振动频率。.其次开展冷凝器多跨管支撑失效情况下振动特性与流体弹性失稳概率分析。将给定排列方式和节径比的换热管束壳程临界流速并与国标对比。软件仿真计算了不同支撑条件下的换热管固有频率和振型，发现与当发生支撑失效时结构的自振频率与原结构相比降低很多，而且失效的支撑越多自振频率降低的越多，支撑失效结构的某一振型与原结构或者其他失效结构的各阶振型之间没有对应关系或必然联系；分析了换热管与支撑挡板设计制造过程中的允许偏差和理论间隙分析了管束支撑失效的概率特性，并针对大规模换热器管束中发生非有效支撑控制的流体弹性失稳的换热管的概率及数量进行预测。.最后开展了冷凝器管束耦合振动及声辐射实验研究。单管流致振动试验验证了漩涡脱落的“锁定现象”，发现了漩涡脱落和紊流抖振对于管内流噪声的不同影响以及管内流噪声的主要影响因素，紊流抖振相对于漩涡脱落对管内流的影响较大。管内的声压脉动可根据水流速分为三个区域，即流致振动控制区、水流速控制区和共同作用区，冷凝器一般处于流致振动控制区。冷凝器管束模拟件实验研究在典型冷凝器管束排列情况下流体流速、声源特性等因素对于管束流致振动情况和进出口水室内声压脉动情况的影响，发现模拟件的声共鸣是由管束的其它流致振动机理所诱发的，声共鸣又反作用于其它机理引起的振动从而改变振动的幅值，并且声共振会对管束阻力方向产生一个动态的声致作用力。流致振动所引起的循环水侧的声压的波动具有不对称性，更容易向着冷却水管路的上游传播。