双圆柱轴向流固耦合数值模拟

论文摘要

核反应堆中的流固耦合现象与核装置安全息息相关,堆芯中流体轴向冲刷引起燃料棒小幅度振动,由于燃料棒束紧密布置,振动会对燃料棒造成重要危害,发生几次骇人听闻的核安全事故后,人们对流固耦合问题逐渐重视起来。本文中圆柱簇为一支弹性和一支刚性圆柱体并排摆放,在入口湍流度（Tu）为0.7%-5.0%和无量纲流速变化范围为2.04-9.67时,研究入口湍流度对弹性圆柱振动的振幅、振动模态、无量纲振动频率的影响。基于ANSYS Workbench中System Coupling耦合模块,本文应用Fluent和Transient Mechanical瞬态力学求解器,求解了一支弹性、一支刚性圆柱体并排布置的轴向流固耦合问题,流体控制方程为任意拉格朗日欧拉形式的N-S方程,湍流模型为大涡模拟（LES）模型,亚格子尺度模型为WALE模型,结构动力学方程为欧拉-伯努利梁方程。通过数值模拟得到了无量纲振动频率（f）随无量纲速度（U）的变化关系以及发生不稳定性振动的临界速度,与实验结果吻合很好。随着无量纲速度增加,弹性圆柱体依次经历亚临界振动、屈曲、屈曲与颤振混合振动以及完全颤振四个阶段。当弹性圆柱体处于亚临界振动状态时,随着入口湍流度的增加,湍流流体与弹性圆柱体振动相互耦合,使弹性圆柱体与刚性圆柱体间隙处流场压强脉动增强,从而使圆柱体振动振幅显著增大;低速时圆柱体振动模态会从二阶转变为一阶,但是一阶振动频率保持不变,因此弹性圆柱体不会发生不稳定性振动。值得注意的是,在较低的入口湍流度（0.7%）和较高的无量纲速度（≥5.59）下,弹性圆柱体和刚性圆柱体并排布置方式会造成流场不对称性,这种不对称性会使弹性圆柱体亚临界振动的平衡位置偏向刚性圆柱体。但入口湍流度增加（2.9%-5.0%）后,亚临界振动的平衡位置又回归到弹性圆柱体的初始位置。当弹性圆柱体发生屈曲后,入口湍流度的增加（0.3%-2.0%）,没有引起屈曲与颤振混合振动的发生,但弹性圆柱体会更快发生屈曲。当圆柱体混合振动时,其动态平衡点一直在屈曲的非零平衡点上保持不变,这同非线性理论结果符合,其振动模态从一阶屈曲发展为一阶屈曲和二阶颤振混合振动,随着入口湍流度的增加,颤振滞后发生。弹性圆柱发生完全颤振后,颤振振动围绕零点做环状运动,入口湍流度从0%增加至1.5%,弹性圆柱颤振频率稍有升高,但颤振振幅、模态和振动平衡位置基本不受影响。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 付瑞海

导师: 周裕

关键词: 流固耦合,入口湍流度,亚临界振动,屈曲,颤振

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TL329.2;TL334

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002869

总页数: 58

文件大小: 1881K

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