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矩形通道中柔性平板的窄频大幅振动特性研究

作　者: 刘丽芳
导　师: 陆道纲
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 热能工程
关键词: 流固耦合流致振动窄频大幅振动旋涡脱落特性平行板燃料组件
分类号: TK31
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

平行板燃料组件由于功率密度高、传热效果好的优点在许多先进研究堆、军用堆中得到广泛应用。冷却剂流过平行板燃料组件内相邻燃料板之间形成的矩形窄通道,可能会导致冷却剂与燃料板之间构成强烈的流固耦合关系,威胁核反应堆的安全运行。而平行板燃料组件中的每一块燃料板都可以看成是矩形通道中的柔性平板,因此,深入研究矩形通道内柔性平板的流固耦合特性具有重大意义。本文作为理论基础研究,利用数值模拟结合实验的方法研究了矩形通道中四角固支柔性平板的窄频大幅振动特性。在数值模拟工作中,通过改变通道宽度,研究了刚性矩形通道内两侧固定刚性平板的旋涡脱落特性,并根据旋涡脱落斯特鲁哈数随流道宽度的改变而变化的剧烈程度将平板结构的扰流问题分为三类：宽通道扰流、过渡扰流及窄通道扰流,从而可以确定柔性平板的流固耦合实验中实验段内柔性平板的扰流模式为宽流道扰流,并以此来设计柔性平板的流固耦合实验中实验段及实验板的结构尺寸。流固耦合实验中,使用自主设计的实验段及实验板,配合目前先进的激光测量技术,通过改变实验段内流体流速,在国内外首次发现了刚性矩形通道内四角固支柔性平板的窄频大幅振动现象,并得到了窄频大幅振动发生的速度条件；同时,测定四角固支条件下不同厚度柔性平板的振动固有特性,并利用圆柱体的附加质量理论计算了静水中柔性平板的振动固有频率；进行不同厚度柔性平板的窄频大幅振动实验研究,通过比较不同厚度四角固支柔性平板静水中的振动固有频率与轴向流中窄频大幅振动特性,证明了刚性矩形通道内四角固支柔性平板的窄频大幅振动现象是振动平板与流动流体之间发生的一种共振耦合,并得到了一些重要的柔性平板窄频大幅振动特性,为进一步研究平行平板组件的流固耦合机理奠定了理论基础。该研究首次发现了一种可能导致平行板燃料组件流固耦合失效的新机理,为核反应堆设计及运行过程中避免因平行板燃料组件的流固耦合导致的安全问题提供了新的理论规范与工程指导。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  11-13
    1.1.1 研究背景及研究目的  11-12
    1.1.2 研究的理论及工程意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 柔性平板结构的流固耦合研究现状  13-14
    1.2.2 柔性平板结构的流致振动研究现状  14-15
    1.2.3 平板结构的旋涡脱落特性研究现状  15-16
  1.3 本研究的主要内容及创新点  16-18
    1.3.1 本研究的主要内容  16-17
    1.3.2 本研究的创新点  17-18
第2章理论基础及测量原理  18-25
  2.1 引言  18
  2.2 流固耦合概念  18
  2.3 Miller临界流速理论  18-19
  2.4 流致振动机理  19-22
    2.4.1 湍流致振  20
    2.4.2 旋涡脱落致振  20-21
    2.4.3 流体弹性失稳  21
    2.4.4 窄频大幅振动  21-22
  2.5 激光传感器测振原理  22-23
    2.5.1 激光测量技术  22
    2.5.2 激光测速原理  22-23
    2.5.3 激光测位移测量原理  23
  2.6 本章小结  23-25
第3章刚性平板的旋涡脱落特性数值模拟  25-33
  3.1 引言  25
  3.2 数值方法及程序验证  25-26
    3.2.1 本研究使用的数值方法及程序的特点  25-26
    3.2.2 数值程序的验证  26
  3.3 物理模型及边界条件  26-27
  3.4 数值模拟结果  27-30
  3.5 模拟结果分析  30-31
  3.6 流道宽度对单板旋涡脱落特性的影响  31-32
  3.7 本章小结  32-33
第4章四角固支柔性平板的窄频大幅振动现象  33-47
  4.1 引言  33
  4.2 实验回路及测量系统  33-38
    4.2.1 实验模型及实验段设计  33-35
    4.2.2 柔性平板流固耦合实验回路及改进  35-37
    4.2.3 实验测量系统  37-38
  4.3 实验过程与实验结果  38-43
  4.4 实验结果分析与讨论  43-46
    4.4.1 实验结果分析  43-45
    4.4.2 实验误差分析  45-46
  4.5 本章小结  46-47
第5章四角固支柔性单板窄频大幅振动特性研究  47-59
  5.1 引言  47
  5.2 四角固支柔性长板振动固有频率测定  47-52
    5.2.1 四角固支柔性长板振动固有频率测量装置  47-48
    5.2.2 空气中不同厚度实验板振动固有频率测量  48-52
    5.2.3 静水中不同厚度实验板振动固有频率计算  52
  5.3 不同板厚柔性长板窄频大幅振动实验  52-57
    5.3.1 实验模型及实验方法  52-53
    5.3.2 厚为0.5mm柔性平板的窄频大幅振动实验  53-54
    5.3.3 厚为1.5mm柔性长板流固耦合实验  54-55
    5.3.4 厚为2mm柔性长板的窄频大幅振动实验  55-56
    5.3.5 不同厚度柔性长板窄频大幅振动实验结果分析  56-57
  5.4 矩形通道中柔性平板的窄频大幅振动特性分析  57-58
  5.5 本章小结  58-59
第6章结论及展望  59-61
  6.1 结论  59-60
  6.2 展望  60-61
参考文献  61-64
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  64-65
攻读硕士学位期间参加的科研工作  65-66
致谢  66

矩形通道中柔性平板的窄频大幅振动特性研究

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