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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

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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

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