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基于POD方法的燃料棒模态特征及流致振动响应降阶模型研究

闵光云 姜乃斌

闵光云, 姜乃斌. 基于POD方法的燃料棒模态特征及流致振动响应降阶模型研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(4): 142-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0142
引用本文: 闵光云, 姜乃斌. 基于POD方法的燃料棒模态特征及流致振动响应降阶模型研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(4): 142-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0142
Min Guangyun, Jiang Naibin. A Reduced-Order Model of Mode Characteristics and Flow-Induced Vibration Response of Fuel Rod Based on POD Method[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(4): 142-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0142
Citation: Min Guangyun, Jiang Naibin. A Reduced-Order Model of Mode Characteristics and Flow-Induced Vibration Response of Fuel Rod Based on POD Method[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(4): 142-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0142

基于POD方法的燃料棒模态特征及流致振动响应降阶模型研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0142
基金项目: 国家自然科学基金(11872060);广东省重点领域研发计划项目(2021B0101250002)
详细信息
    作者简介:

    闵光云(1995—),男,博士研究生,现主要从事反应堆结构力学方面的研究,E-mail: mingy6@mail2.sysu.edu.cn

    通讯作者:

    姜乃斌,E-mail: jiangnb@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: TL352

A Reduced-Order Model of Mode Characteristics and Flow-Induced Vibration Response of Fuel Rod Based on POD Method

  • 摘要: 本文搭建了一个快速预测燃料棒模态特征及流致振动响应的降阶模型(ROM)。首先,基于有限元分析软件ANSYS的批处理功能得到不同刚度下燃料棒的模态数据,将模态数据组装成快照矩阵。接着,基于商用数学软件MATLAB和半经验公式批量计算燃料棒的流致振动响应,将流致振动响应数据组装成快照矩阵。然后,采用本征正交分解(POD)方法将快照矩阵投影到低维空间,并根据特征值大小选出能量占比最高的POD模态。基于选出的POD模态将快照矩阵重构回物理空间,实现了模态和流致振动响应的快速计算。研究发现:对于1阶模态和流致振动响应的重构,刚度越小所需要的POD模态数量越多;对于相同刚度下不同阶模态的重构,模态阶次越高,所需要的POD模态数量越多。本文研究结果对于燃料棒模态特征和流致振动响应的快速计算具有一定的意义。

     

  • 图  1  燃料棒结构示意图 mm

    Figure  1.  Schematic Diagram of Fuel Rod

    图  2  燃料棒受定位格架约束示意图

    Figure  2.  Schematic of a Fuel Rod Constrained by Spacer Grid

    图  3  模态特征ROM前 20 阶 POD 模态对应特征值

    Figure  3.  Eigenvalues of First 20 Order POD Modes of Mode Characteristics ROM

    图  4  刚度1 N/mm下的1阶模态

    Figure  4.  1st Order Mode with a Stiffness of 1 N/mm

    图  5  刚度9.77 N/mm下的1阶模态

    Figure  5.  1st Order Mode with a Stiffness of 9.77 N/mm

    图  6  刚度977.24 N/mm下的1阶模态(前3阶)

    Figure  6.  1st Order Mode with a Stiffness of 977.24 N/mm (First 3 Orders)

    图  7  刚度1 N/mm下的4阶模态

    Figure  7.  4th Order Mode with a Stiffness of 1 N/mm

    图  8  刚度1 N/mm下的8阶模态

    Figure  8.  8th Order Mode with a Stiffness of 1 N/mm

    图  9  流致振动响应ROM前 20 阶 POD 模态对应特征值

    Figure  9.  Eigenvalues of First 20 Order POD Modes of Flow-induced Vibration Responses ROM

    图  10  刚度1 N/mm下的流致振动响应

    Figure  10.  Flow-induced Vibration Response with a Stiffness of 1 N/mm

    图  11  刚度9.77 N/mm下的流致振动响应

    Figure  11.  Flow-induced Vibration Response with a Stiffness of 9.77 N/mm

    图  12  刚度977.24 N/mm下的流致振动响应(前3阶)

    Figure  12.  Flow-induced Vibration Response with a Stiffness of 977.24 N/mm (First 3 Orders)

    表  1  质量密度参数

    Table  1.   Mass Density Parameter

    部位 质量密度/(kg·m−1)
    端塞段 0.5792
    芯块段 0.7936
    气腔段 0.2224
    下载: 导出CSV

    表  2  模态特征模型计算效率

    Table  2.   Computing Efficiency of Mode Characteristics Model

    模型 时间/s
    FOM 60
    ROM 1.2
    下载: 导出CSV

    表  3  流致振动响应模型计算效率

    Table  3.   Computing Efficiency of Flow-induced Vibration Response ROM

    模型 时间/s
    FOM 560
    ROM 60
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-15
  • 修回日期:  2024-05-24
  • 刊出日期:  2024-08-12

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