反应堆吊篮结构流致振动计算方法研究

Nuclear power has been an important developing field in our country as the cleaning sources of energy. The core barrel of nuclear reactor, as the main structure of bearing forces, is one of the key devices in the internals of reactor, the flow-induced vibration characteristics of which is a vital task in the safety check of nuclear power plant. Because of the complexity of the internals, the analysis of flow-induced vibration responses of core barrel will expend vast computer time. The existing methods of calculating flow-induced response of core barrel can’t realize the bidirectional coupling calculation. The computational efficiency and accuracy remain to be promoted. The reduced order method of fluid based on the CFD solutions, as a new method, can validly promote the computational efficiency of fluid-structure interaction system. But, the reduced order methods have not been utilized in the analysis of flow-induced vibration of core barrel. Based on the both reduced order model of the fluid and the core barrel structural dynamics, this project intends to develop a new method of calculating the responses of core barrel fluid-structure interaction system, which expects to promote the computational efficiency. The main contents are (a) establishing the dynamical model of core barrel fluid-solid interaction system and its reduced order model; (b) the method of reduced order model of fluid forces based on CFD solutions; (c) the computational method of responses of core barrel fluid-solid interaction system based on the reduced order models; (d) the analysis of nonlinear responses of the core barrel with nonlinear bearing boundary of gap type.

核电作为清洁能源已成为我国能源发展的一个重要方向。反应堆吊篮作为承力的主要结构，是堆内构件中的关键设备之一，其流致振动问题是核电安审的一项重要内容。由于堆内构件的复杂性，导致吊篮流致振动分析计算量庞大。在现有的分析方法中，还没有一种方法能实现真正意义上的双向耦合计算，计算效率和精度也亟待提高。基于CFD数值解的流场降阶技术是近年来出现的一种新方法，为有效提高流固耦合系统计算效率提供了重要手段，但是在吊篮流致振动研究领域还没有得到应用。本项目基于流场降阶模型和吊篮结构动力学降阶模型，采用弱耦合方式试图建立吊篮流致振动响应分析的新方法，以期提高吊篮流致振动响应计算效率。主要内容为：（1）反应堆吊篮流固耦合系统动力学模型的建立及其降阶模型；（2）基于CFD数值解的流场降阶模型的建立方法；（3）基于流场降阶模型的吊篮流固耦合振动响应计算方法；（4）吊篮下部间隙支承条件下系统非线性响应分析。

反应堆结构流致振动问题影响结构安全服役。反应堆结构由于结构复杂、周围流场复杂，导致其流致振动响应计算工作量极大。本项目针对反应堆结构流致振动问题开展系列研究工作，试图采用模型降阶技术来有效降低反应堆结构流致振动响应的计算工作量。主要涉及反应堆吊篮流固耦合系统动力学模型的建立，基于CSD、CFD数值解的结构、流场降阶模型的建立方法，基于流场降阶模型的吊篮流固耦合振动响应计算方法，吊篮下部间隙支承条件下系统非线性响应分析等几个方面的内容。本项目取得的主要成果包括：流体力附加质量理论分析及流体附加质量系数基本特性的理论证明；基于连续结构和理论流体力的同轴圆柱壳结构流固耦合系统建模方法及系统固有特性随系统参数的变化规律；针对同轴圆柱壳结构中存在狭窄间隙流，探讨了流体Fluid30单元在系统振动特性计算中的适用性；基于POD和ARX技术的结构和流场降阶方法；基于ARX技术的流固耦合系统降阶模型的建立，提出了含可调参数流固耦合系统的一种高效建模方法、考虑静态流体载荷影响的液固耦合建模方法；建立了基于流固耦合系统降阶模型的流致振动响应计算方法，探讨了时间连续数据到离散数据的3种数值转换格式对降阶模型数值稳定性的影响规律；研究了差分格式对降阶模型数值稳定性的影响规律；基于算子理论和最小二乘法，研究了单侧刚性壁面效应对倒置悬臂板静态失稳特性的影响规律等。这些成果表明，本项目基于系统降阶模型技术所建立的反应堆结构流致振动响应计算方法能够提高计算效率，有效的减少计算工作量。