高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于数据驱动的管束结构流固耦合动力学建模

冯志鹏 蔡逢春 张毅雄 江小州 刘帅

冯志鹏, 蔡逢春, 张毅雄, 江小州, 刘帅. 基于数据驱动的管束结构流固耦合动力学建模[J]. 核动力工程, 2024, 45(S1): 26-31. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0026
引用本文: 冯志鹏, 蔡逢春, 张毅雄, 江小州, 刘帅. 基于数据驱动的管束结构流固耦合动力学建模[J]. 核动力工程, 2024, 45(S1): 26-31. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0026
Feng Zhipeng, Cai Fengchun, Zhang Yixiong, Jiang Xiaozhou, Liu Shuai. Fluid-structure Interaction Dynamic Modeling of Tube Bundle Based on Data-driven[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S1): 26-31. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0026
Citation: Feng Zhipeng, Cai Fengchun, Zhang Yixiong, Jiang Xiaozhou, Liu Shuai. Fluid-structure Interaction Dynamic Modeling of Tube Bundle Based on Data-driven[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S1): 26-31. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0026

基于数据驱动的管束结构流固耦合动力学建模

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0026
基金项目: 四川省自然科学基金(2022NSFSC1182)
详细信息
    作者简介:

    冯志鹏(1986—),男,研究员级高级工程师,现从事流致振动研究工作,E-mail: fengzhipengchn@163.com

  • 中图分类号: O322;TL352

Fluid-structure Interaction Dynamic Modeling of Tube Bundle Based on Data-driven

  • 摘要: 传热管束是压水堆蒸汽发生器的核心部件,容易发生流致振动问题。在流致振动机理中,漩涡脱落和流弹失稳是典型的强流固耦合问题,无法将结构场与流场解耦求解。为更好地完成蒸汽发生器中管束结构的力学设计,本文通过数据驱动的方式,完成了漩涡脱落和流弹失稳2种流致振动机理的流固耦合动力学建模,并用现有试验数据进行验证,预测结果与试验符合较好。本文方法结合了理论模型的严谨性和计算流体动力学(CFD)计算可考虑实际结构动力学特征的优点,既避免了复杂管束三维流固耦合模拟对海量计算资源的需求,又降低了传统理论模型对于试验数据的依赖,有利于在工程中推广应用。

     

  • 图  1  两端支撑管模型

    L—管长度;U—外流流速;D—管外径

    Figure  1.  Schematic Representation of A Flexible Tube Supported at Both Ends

    图  2  作用于管上的外部流体力

    θVrU间的夹角

    Figure  2.  External Fluid Forces Acting on Tube

    图  3  流场区域及局部网格示意图

    Figure  3.  Schematic Diagram of Flow Field Area and Local Grid

    图  4  流体力随流速的变化情况

    Figure  4.  Fluid Force Coefficients Versus Flow Velocity

    图  5  振幅随折合流速的变化曲线

    Figure  5.  Variation Curve of Amplitude with Reduced Flow Velocity

    图  6  管的运动轨迹

    η—无量纲横向(升力方向)位移,η=y/Dχ—无量纲流向位移,χ=x/D(xy—流向、横向位移)

    Figure  6.  Trajectory of Tube Motion

    图  7  计算域和局部网格细节

    Figure  7.  Details of Computational Domain and Local Grid

    图  8  基于准稳态模型的动力学建模流程

    P/D—管束节径比;Re—雷诺数;Δx、Δy—中心管在x向、y向的位移偏移量;m*—无量纲质量,$ {m^*} = m/\rho {D^2} $;δ—对数衰减率;$ C\mathrm{_{L0}} $、$ C_{\mathrm{D}0} $—升力系数、阻力系数的平均值;CLCD—升力系数、阻力系数;F—流体力;Ucr—临界流速

    Figure  8.  Dynamic Modeling Process Based on Quasi-steady Model      

    图  9  基于非稳态模型的动力学建模流程

    $ c_{jk} $、$ d_{j k} $、$ p_{j k} $、$ q_{j k} $—流体力系数的幅值;$ \varphi_{jk} $、$ \psi_{j k} $、$ \theta_{jk} $、$ \gamma_{f k} $—流体力与位移间的相位角;$ {\bar \alpha _{ij}}^\prime $、$ {\bar \sigma _{ij}}^\prime $、$ {\bar \tau _{ij}}^\prime $、$ {\bar \beta _{ij}}^\prime $—流体阻尼系数;$ {\alpha ''_{ij}} $、$ {\sigma ''_{ij}} $、$ {\tau ''_{ij}} $、$ {\beta ''_{ij}} $—流体刚度系数;UDF—用户自定义函数;FFT—快速傅里叶变换

    Figure  9.  Dynamic Modeling Process Based on Unsteady Model

    图  10  基于流管模型的动力学建模流程

    Figure  10.  Dynamic Modeling Process Based on Stream Tube Model

    图  11  临界流速预测

    MDP—质量阻尼参数,MDP=(2πζnm)/(ρD2);ζn—阻尼比

    Figure  11.  Critical Flow Velocity Prediction

  • [1] 姜乃斌,冯志鹏,臧峰刚,等. 核工程中的流致振动理论与应用[M]. 上海: 上海交通大学出版社,2018: 3-203.
    [2] GABBAI R D, BENAROYA H. An overview of modeling and experiments of vortex-induced vibration of circular cylinders[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 282(3-5): 575-616. doi: 10.1016/j.jsv.2004.04.017
    [3] FENG Z P, ZANG F G, QI H H, et al. Modeling of vortex-induced vibrations for a flexible tube subjected to both internal fluid flow and external cross-flow[J]. Annals of Nuclear Energy, 2022, 175: 109203. doi: 10.1016/j.anucene.2022.109203
    [4] 冯志鹏,张毅雄,臧峰刚,等. 三维弹性管的涡致振动特性分析[J]. 应用数学和力学,2013, 34(9): 976-985. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.09.011
    [5] PRICE S J. A review of theoretical models for fluidelastic instability of cylinder arrays in cross-flow[J]. Journal of Fluids and Structures, 1995, 9(5): 463-518. doi: 10.1006/jfls.1995.1028
    [6] 冯志鹏,蔡逢春,臧峰刚,等. 管束结构流弹失稳的数值预测方法研究[J]. 振动与冲击,2023, 42(23): 49-54.
    [7] AUSTERMANN R, POPP K. Stability behaviour of a single flexible cylinder in rigid tube arrays of different geometry subjected to cross-flow[J]. Journal of Fluids and Structures, 1995, 9(3): 303-322. doi: 10.1006/jfls.1995.1017
    [8] MAHON J, MESKELL C. Surface pressure survey in a parallel triangular tube array[J]. Journal of Fluids and Structures, 2012, 34: 123-137. doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2012.05.005
    [9] PRICE S J, ZAHN M L. Fluidelastic behaviour of a normal triangular array subject to cross-flow[J]. Journal of Fluids and Structures, 1991, 5(3): 259-278. doi: 10.1016/0889-9746(91)90485-8
    [10] CHEN S S. Instability mechanisms and stability criteria of a group of circular cylinders subjected to cross-flow-Part 2: numerical results and discussions[J]. Journal of Vibration and Acoustics, 1983, 105(2): 253-260. doi: 10.1115/1.3269095
    [11] WEAVER D S, El-KASHLAN M. The effect of damping and mass ratio on the stability of a tube bank[J]. Journal of Sound and Vibration, 1981, 76(2): 283-294. doi: 10.1016/0022-460X(81)90355-2
  • 加载中
图(11)
计量
  • 文章访问数:  71
  • HTML全文浏览量:  13
  • PDF下载量:  16
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-28
  • 修回日期:  2024-01-10
  • 刊出日期:  2024-06-15

目录

    /

    返回文章
    返回