蒸汽发生器管束在气液两相横向流中的流弹失稳研究

由气液两相横向流诱发的核电站蒸汽发生器管束流弹失稳属于复杂的流固耦合现象，目前对这一问题的研究还很有限。基于单位分解的思想，将不连续函数引入常规有限单元的形函数，从而使有限单元法具有能够有效追踪流固耦合界面的能力以及无需网格重构的优点。同时引入流体力学控制方程，获得一种针对两相横向流弹失稳分析的新数值模拟方法-扩展有限元方法（XFEM）。在现有实验数据以及数值模拟结果的基础上，提出新的空泡率计算方法并将其引入Weaver单相横向流弹失稳分析模型，得到管束两相横向流弹失稳解析模型并用之分析常见排列形式的管束在不同的空泡率以及流型下的流弹失稳状况，绘制相应的流弹失稳稳定图。此项研究对核电站蒸汽发生器管束设计具有重要的理论意义和实用价值。

来自西南石油大学和中国核动力研究设计院的研究人员结合实验、数值模拟以及理论分析方法对蒸汽发生器管束在气液两相横向流中的流弹失稳现象进行了深入研究。其中，西南石油大学完成了理论模型的建立、数值模拟研究两部分工作，中国核动力研究设计院完成了项目的实验研究部分。研究达到了项目的预期目的，发表论文7篇，授权软件著作权1项，培养博士研究生1名，硕士研究生2名，取得的主要研究成果如下：.（1）利用垂直向上横掠水平固定管束的气液两相流激振力的实验数据，分析了部分两相流参数的特性、定义方法及其对流体激振力的影响。给出泡状流、搅拌-泡状流三种流型下的两相流激振力的时域和频域分布，指出了流型对于激振力特性的影响。对现有管束间空泡份额模型进行了适用性分析，并对部分空泡份额模型进行了重新拟合。.（2）根据不同流型下两相流速度及气泡直径对激振力的不同影响，同时采用气泡数率作为频率缩比参数，针对不同流型提出了空气-水两相流激振力的无量纲归一化方案，获得了较好的归一化效果。.（3）推导了管束流弹失稳流管模型的显式解析表达。根据多根弹性管管束流弹失稳临界流速的计算方法，编制计算程序并将计算结果与文献中各种管阵排列形式的实验数据进行对比，证明了模型的合理性。将多根弹性管流弹失稳模型拓展到非均匀流速分布的多跨管束的流弹失稳计算，利用一具体的U型传热管的工程算例，与工程上常用的Connors公式计算结果进行比较。结果表明，解析模型在低质量阻尼参数情况下计算得到的临界流速大于工程方法，而在质量阻尼参数较大时计算结果小于工程方法。.（4）通过引入滑速比等两相流参数，将单相流的管束流弹失稳解析模型拓展到两相流。利用公开文献中管束在两相流中流弹失稳的实验数据，对模型进行了验证。相对于工程上常用的均相流模型，滑速比和界面流速的引入，能够将实验数据聚集在稳定性图上较小的范围，从而便于用现有的稳定性图和分析方法对管束流弹失稳进行判断。