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基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究

谭蔚 赵承卓 黄旋 沈平川 张珂 朱国瑞

谭蔚, 赵承卓, 黄旋, 沈平川, 张珂, 朱国瑞. 基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(5): 195-202. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0195
引用本文: 谭蔚, 赵承卓, 黄旋, 沈平川, 张珂, 朱国瑞. 基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(5): 195-202. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0195
Tan Wei, Zhao Chengzhuo, Huang Xuan, Shen Pingchuan, Zhang Ke, Zhu Guorui. Simulation Study on Fluid-elastic Instability of Two-Dimensional Tube Bundle Based on UDF[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(5): 195-202. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0195
Citation: Tan Wei, Zhao Chengzhuo, Huang Xuan, Shen Pingchuan, Zhang Ke, Zhu Guorui. Simulation Study on Fluid-elastic Instability of Two-Dimensional Tube Bundle Based on UDF[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(5): 195-202. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0195

基于UDF的二维管束流弹失稳模拟研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0195
基金项目: 核反应堆系统设计技术重点实验室基金项目(HT-KFKT-09-2018001)
详细信息
    作者简介:

    谭 蔚(1965—),教授,主要从事承压设备流致振动与防振技术的研究,E-mail: wtan@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TL353

Simulation Study on Fluid-elastic Instability of Two-Dimensional Tube Bundle Based on UDF

  • 摘要: 针对现有流弹失稳模拟研究中的流固耦合模型存在计算精度较低、计算成本巨大的问题,建立了一种可以预测管束临界流速的二维单向流固耦合模型,该模型基于商用ANSYS Fluent软件,通过SST k-ω湍流模型进行流场计算,再由自编译的用户自定义函数(UDF)提取管子所受的流体力,并利用4阶Runge-Kutta法求解结构动力学方程实现单向流固耦合计算。利用该模型对节径比为1.5的转角三角形排布管束进行了流固耦合计算,得到了中心管的临界流速、振幅时程曲线及振幅频谱图,并通过水洞实验进行了验证。结果表明,本模型以较低的计算成本准确地预测了临界流速,同时也获取了管子真实的振动特征,模拟计算的中心管振幅时程曲线及振幅频谱均与实验相近。此外,模拟计算获取的阻力和升力系数数据表明,随着流速增大,阻力和升力系数时程曲线经历了从紊乱到规律的变化,换算流速达到2.44时,阻力和升力系数主频包含管子在静水中固有频率的成分。

     

  • 图  1  水洞实验装置

    Figure  1.  Water Tunnel Experiment Device

    图  2  等刚度弹性管

    Figure  2.  Elastic Tube With Equal Stiffness

    图  3  网格划分示意图

    Figure  3.  Schematic Diagram of Meshing

    图  4  阻力、升力系数及振幅RMS与网格尺寸关系图

    Figure  4.  Relationship between Resistance, Lift Coefficient, Amplitude RMS and Grid Size

    图  5  中心管无量纲振幅随换算流速的变化关系图

    Figure  5.  Relationship between Dimensionless Amplitude of Central Tube and Converted Velocity

    图  6  转角三角形排布管束的稳定性区图

    Figure  6.  Stability Zone Diagram of Corner Triangular Arrangement of Tube Bundles         

    图  7  典型流速下实验和模拟计算得到的振幅时程曲线图

    Figure  7.  Amplitude Time-history Curves of Experiment and Simulation Calculation under Typical Velocity

    图  8  典型流速下实验和模拟计算得到的振幅频谱图

    Figure  8.  Amplitude Spectrum of Experiment and Simulation Calculation under Typical Velocity

    图  9  模拟计算的振幅频谱随换算流速变化关系图

    Figure  9.  Relationship between Simulated and Calculated Amplitude Spectrum and Converted Velocity

    图  10  在典型流速下模拟计算阻力和升力系数的时程曲线

    $\overline C_{\rm{d}}$—平均阻力系数;$\overline C_1 $—平均升力系数

    Figure  10.  Time-history Curves of Resistance and Lift Coefficient Simulated and Calculated at Typical Velocity

    图  11  在典型流速下模拟计算阻力和升力系数的频谱图

    Figure  11.  Spectrum of Resistance and Lift Coefficient Simulated and Calculated at Typical Velocity

    表  1  中心管的结构参数

    Table  1.   Structural Parameters of the Central Tube

    参数名参数值
    直径(D)/m0.025
    单位长度质量(m)/kg1.348
    阻尼(c)/(N·s·m−10.40
    质量阻尼参数0.18
    刚度(k)/(N·m−116486.50
    静水中的固有频率(${f_{{\text{n,water}}}}$)/Hz17.61
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-04
  • 修回日期:  2022-03-16
  • 刊出日期:  2022-10-12

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