两相流中管束的湍流激振特性及其分析方法研究

Flow induced vibration is an important cause of heat transfer tube failure in various heat exchangers. Turbulent buffeting has been identified as the main cause. There are many tube bundles suffered from two-phase cross flow in nuclear power plant, but tube vibration caused by turbulent flow cannot be avoided. Turbulent buffeting and related fretting wear, fretting fatigue could cause tube rupture, and result in the failure of tube bundle facilities. Due to the complexity of two-phase flow, the theoretical equations, experimental data, and analysis methods for flow-induced vibration analysis in current engineering were derived from single-phase flow. This work focuses on the difference of physical mechanism between two-phase flow-induced vibration and single-phase flow-induced vibration, and theoretical research will be done on turbulent buffeting of tube bundles in two-phase cross flow. This work will obtain an effective dimensionless normalization method for two-phase flow buffeting force, a new upper bound of buffeting forces used for turbulent buffeting response calculation, and an analysis method for nonlinear fluid force parameters based on fluid-structure coupling. An integrated analysis method for turbulent buffeting of tube bundles in two-phase cross-flow and the corresponding code package are constructed. The success of this work will help for providing the theoretical tool and code to flow-induced vibration analysis and evaluation of tube bundle.

流致振动是导致各种换热器中传热管失效的一个重要原因，湍流激振为其中一种主要机理。在核动力装置中存在着大量遭受两相流的管束结构，其湍流激振几乎无法避免，湍流激振及其诱发的磨损、微动接触疲劳是导致传热管破裂进而导致管束类设备失效的主要原因。由于两相流流致振动问题的复杂性，目前工程上流致振动分析中使用的理论公式、实验参数和分析方法大多来源于单相流。本项目针对两相流与单相流湍流激振物理机理上的差别，开展两相流参数及流体激振力特性研究，提出一种有效的两相流激振力无量纲归一化方法，获得用于湍流激振计算的激振力功率谱密度的包络谱，构建基于流固耦合的非线性流体力参数处理方法，最终建立一套适用于两相流中管束结构湍流激振的分析方法，并开发相应的分析评价专用程序，为核动力装置中的管束流致振动分析提供理论和程序工具。

在核动力装置中存在着大量遭受两相流的管束结构，其湍流激振几乎无法避免。本项目针对目前工程中缺乏适用于两相流中管束结构湍流激振的两相流激振力功率谱密度包络谱、分析方法与专用程序的迫切需求，开展了实验研究、数值模拟、理论分析和程序开发。首先，揭示了两相流参数对流体激振力的影响规律，提出了对两相流激振力进行无量纲归一化的方法，获得了两相流激振力功率谱密度的包络谱；其次，建立了基于双向流固耦合方法的流致振动数值模型，揭示了管束结构的非线性流固耦合动力学特性，并基于流固耦合数值计算结果，确定了一种建立管束结构非线性流体力模型的方法；然后，以随机振动力学和获得的非线性流体力参数为基础，以两相流激振力的PSD 包络谱作为激励，建立了两相流诱发管束振动的理论模型，形成了针对管束结构的两相流湍流激振预测方法；最后，将理论模型与分析方法程序化，开发了适用于两相流中管束结构的湍流激振分析专用程序，并利用实验结果对开发的程序进行了验证。同时，在完成预期研究目标的基础上，进一步研究了流弹失稳和漩涡脱落两种激励机理的计算方法，将湍流激振分析专用程序扩展到可以同时分析管束中的三种主要流致振动机理，又进一步地引入概率统计学参数，开发了基于概率方法的传热管流致振动分析程序，实现了管束结构流致振动的概率预测。目前本项目已出版学术专著1部，制定企业标准1项，申请国际标准1项，发表直接相关学术论文30篇，其中EI收录11篇，SCI收录11篇（不重复统计），获授权/受理发明专利4项、软件著作权1项，参加国际国内学术交流13人次，培养硕士研究生2名、在读博士研究生1名，培养青年科技骨干5名，获得科研奖励4项。研究成果已成功应用于“华龙一号”自主三代核电和多个军用核动力装置的蒸汽发生器的工程设计，为核动力装置中的管束流致振动分析提供理论基础和程序工具，对于保证核动力装置的运行安全具有重要的工程应用价值。