复杂结构燃料元件的流致振动特性数值研究

发布时间：2020-05-08 05:51

【摘要】：流致振动广泛存在于工程应用中,尤其在核反应堆中,直接影响着核反应堆的运行安全。冷却剂的高速流动会使燃料元件产生振动,这种流固耦合振动极易导致燃料棒的变形和磨损,甚至造成放射性物质泄漏。开展燃料元件轴向流中流致振动特性研究,可以为更精确地预测微动磨损奠定基础。本文以核反应堆中燃料元件为对象,研究带有定位件(定位格架或绕丝)的燃料棒的流固耦合振动行为。利用Fluent软件计算流场;进行模态分析求解结构动力特性;开展湿模态分析,并与已公开发表的实验数据进行了比较,验证数值计算方法的可靠性。得出如下结论:针对带绕丝燃料棒,在低流速铅铋合金中,相比于真空中,其振动频率略微增加;而对于光棒,其振动频率略微降低。流体流过绕丝,其周围湍流强度明显增强,湍流边界层压力波动剧烈,受力不均,出现较大的等效变形。利用Fluent软件计算流场,通过瞬态动力学求解固体域,结合动网格技术,实现双向流固耦合计算,并与已公开发表实验数据进行了比较,验证数值方法的准确性。研究带格架燃料棒和带绕丝燃料棒的流固耦合振动动态响应。分析了不同参数对燃料棒振动的影响,发现:入口流速与振动位移成正比;作用力波动性与振动位移成正比;壁面剪切力与振动位移成反比;湍流动能与振动位移成正比;应力与振动位移成反比。利用频谱分析、统计学分析方法,发现两种不同定位方式振动频带相同,随机振动比较符合正态分布。同时,利用双向流固耦合对带格架燃料棒束和不带格架燃料棒束进行了对比分析。发现,格架的存在,导致径向两侧压力差增大,明显加强了其振动剧烈程度。选取轴向不同截面振动后的流场与不考虑振动流场进行对比分析,得到振动对流场的截面分布特性影响很小,在热工水力研究中可以忽略。
【图文】：

燃料棒,失效率,流致振动

“流致振动”。该现象正受到工程应用和基础研究领域学堆堆芯燃料元件的流致振动。燃料元件的振动，导致更变形甚至破损出现放射性物质泄漏，直接影响着核安统中，流致振动现象会发生在许多部位。堆芯燃料棒、组件等，这些振动严重危害着核电站结构完整性和运行动特性，有助于指导设计阶段优化结构以减小流致振来的危害。燃料棒流致振动特性是安全性能评估的一项核反应堆的设计中充分考虑了流致振动的影响；ASM加入了关于圆管和管群的流致振动设计准则。国家核重点核安全审查项目。国际原子能报告指出[1]，随着呈现下降趋势，但是依然位于较高状态，，如图 1.1 所示失效原因统计分析结果，由图可得，格架-棒微动磨损因。因此，开展堆芯内燃料棒流致振动特性研究对于更意义。

失效原因分析,压水堆,燃料棒

图 1.2 1987-2006 年压水堆燃料棒失效原因分析Fig.1.2 PWR Fuel rod failure causes analyses in 1987-2006现状向流中圆柱结构流致振动研究现状究的发展和工程应用实际问题的深入，以圆柱体或圆柱壳究一直受到众多研究学者的关注。轴向流中振动特性的研较新的内容，之前的研究主要是横向流中流致振动，其主要脱落。最初的研究，重点是研究结构体的稳定性。关于流致oussis 团队系统地开展了这一领域的研究，理论方面，Pai长圆柱体在轴向流中的理论振动方程，该理论方程基于之量作用力的 Lighthill[3]理论和用于计算圆柱体粘性力的 T考虑了重力和摩擦力的影响。后来 Paidoussis[5]将该理论振来，Lopes[6]等人对该方程进行了修正，得到了悬臂圆柱体理论。随着研究的进一步发展，Paidoussis[7]等人的研究表
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL352

【参考文献】