[发明专利]一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法

说明书

本发明公开了一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，包括：获得流体在圆筒壳体表面分布的流场参数；确定圆筒结构的空间相关函数；基于圆筒结构的空间相关函数，计算得到作用在圆筒结构表面的随机湍流激励力功率谱密度；得到作用在圆筒结构表面的随机湍流激励力时程；将圆筒结构表面各离散区域的随机湍流激励力时程转换到频域；计算圆筒结构表面各离散区域对应随机湍流激励力时程曲线之间的相干系数，并对各组随机湍流激励力时程之间的相干性进行验证；将通过验证的随机湍流激励力时程施加到圆筒结构上，计算圆筒结构的随机湍流激励诱发振动响应，为圆筒结构随机湍流激励诱发振动计算提供一种更为准确的通用方法。

技术领域

本发明涉及反应堆结构力学领域，尤其涉及反应堆堆内吊篮结构等圆筒结构的随机湍流激励振动的分析方法。

背景技术

在反应堆结构中，引发流致振动的机理主要包括湍流激振、流弹失稳、漩涡脱离和声共振。反应堆结构流致振动分析所涉及的主要部件包括反应堆堆内构件、蒸汽发生器传热管、燃料组件核级管道系统等，这些结构部件大多可抽象为圆筒结构或圆柱系。流体相对结构部件的流动方向分为轴向和横向，流体可能在结构内部或结构外部，并可能流经环形缝隙或紧密排列的圆柱系之间。不同的结构形式结合不同的流动状态，所应考虑的流致振动机理亦有所不同。对于存在环形缝隙流动的圆筒结构而言，湍流激振是需要重点关注的流致振动机理。

湍流激振是指：湍流中脉动变化的压力和速度场不断供给结构能量，当湍流脉动的主频率与结构的固有频率相近时，结构吸收能量并产生振动。湍流脉动的频率范围较宽且具有很强的随机性。结构仅在其固有频率附近产生响应。湍流激振会引起部件疲劳和磨损，给反应堆安全带来潜在危害，也会增加部件维修费用。

目前对圆筒结构随机湍流激励诱发振动的研究方法主要有三种：一是同时考虑流体对结构以及结构变形对流场的影响，联立流体方程和固体方程并同时求解，该方法可以将流固耦合效应考虑得更为充分，但目前这一问题尚未得到严格的数学解；二是基于试验的理论分析方法，该方法基于随机振动理论和试验测量的随机振动响应均方根值，通过模态分析结果和相对变形关系，得到结构响应极值；三是基于试验测量的流体力，对结构进行随机振动分析，得到结构的整体响应。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

双向流固耦合方法需要大量的计算资源和时间，计算代价很大，目前计算结果与实测结果存在较大偏差，难以用于实际工程问题中；基于试验的理论分析方法和随机振动分析，均严重依赖试验，当结构进行局部改进时，则需要重新进行试验，耗费大量的时间和资源。

发明内容

本发明提供了一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，解决了现有理论分析方法严重依赖试验以及试验测点有限，无法得到结构任一位置响应的问题，得到了圆筒内外流体耦合的计算模型，为圆筒结构随机湍流激励诱发振动计算提供一种更为准确的通用方法，为圆筒类设备的随机湍流激励诱发振动分析、设计改进和安全评价提供了一种分析方法。

为达到上述发明目的，本申请实施例提供了一种圆筒结构随机湍流激励诱发振动的分析方法，所述方法包括：

1)利用计算流体动力学软件对圆筒壳体内外侧的流场进行计算，获得所述流体在圆筒表面分布的流场参数；

2)基于所述圆筒的结构参数，利用本发明提供的垂向空间函数和环向空间函数，确定空间相关函数

3)在确定空间相关函数的基础上，利用公式(1)、公式(2)和公式(3)得到作用在圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度；

4)将圆筒结构在垂向和环向进行离散，基于所述流场参数和圆筒表面的随机湍流激励力功率谱密度，通过IFFT方法(快速傅里叶逆变换)把频域的功率谱密度转换到时域，得到作用在圆筒表面的湍流激励力时程；