【摘 要】
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随着传统能源的日益枯竭和气候环境问题的愈发严重,核能正在越来越多地受到各国的重视。发生在压水堆堆芯中燃料棒的轴向流致振动与核安全息息相关,燃料棒因受到冷却水高速冲刷产生强烈的亚临界振动,是核反应堆安全运行的一大隐患。本课题以数值模拟为手段,研究轴向流中两根并列布置的弹性圆柱与流体间的相互作用及引发的振动现象。在入口湍流度为0.7%、2.9%和5.0%,间隙比为1.21、1.36和1.57,无量纲速
【基金项目】
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广东省基础与应用基础研究基金（编号:2019A1515110567）；
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随着传统能源的日益枯竭和气候环境问题的愈发严重,核能正在越来越多地受到各国的重视。发生在压水堆堆芯中燃料棒的轴向流致振动与核安全息息相关,燃料棒因受到冷却水高速冲刷产生强烈的亚临界振动,是核反应堆安全运行的一大隐患。本课题以数值模拟为手段,研究轴向流中两根并列布置的弹性圆柱与流体间的相互作用及引发的振动现象。在入口湍流度为0.7%、2.9%和5.0%,间隙比为1.21、1.36和1.57,无量纲速度为1.20到6.20时,系统研究来流湍流度、圆柱间隙比和流速对两根圆柱振动的位移、相关性和模态频率等参数的影响。计算采用ANSYS Workbench中的双向流固耦合模块,使用Fluent和Transient Structural瞬态动力学求解器分别对流场和圆柱变形进行求解,其中流体控制方程采用任意拉格朗日欧拉形式的纳维-斯托克斯方程,并采用大涡模拟方法（Large eddy simulation,LES）预测湍流流场。采用以上数值模拟方法对单根弹性圆柱在轴向流中的流致振动进行预测,发现其无量纲振幅均方根和屈曲失稳的临界速度与前人研究结果吻合度较高,从而验证了数值方法的有效性。数值模拟结果发现,当入口湍流度为0.7%时,无量纲流速增加,流场与圆柱振动之间的相互作用不断增强,表现为两根弹性圆柱的振幅逐渐增大。由于圆柱内、外侧流场的非对称分布,在无量纲速度超过4.56后,其振动平衡位置向两根圆柱的外侧移动。同时,圆柱的振动频率逐渐降低,振动模态由二阶向一阶过渡。当无量纲速度达到临界速度后,两根圆柱均发生屈曲失稳,并向外侧弯曲,此时流场数值模拟结果显示,在两根圆柱间存在一个稳定的高压区。值得注意的是,两根弹性圆柱并列布置时的临界速度（6.0）小于单根圆柱的临界速度（7.16）。在入口湍流度增加至2.9%和5.0%时,两根圆柱的振动平衡位置不随无量纲速度的增加而改变,不再向外侧弯曲。增加入口湍流度使得圆柱周围流场脉动加剧,进而导致圆柱振幅显著增加。尽管入口湍流度显著影响圆柱的振幅和模态,但并不改变圆柱的振动频率及其发生屈曲失稳的临界速度。当圆柱间隙比从1.57减小到1.36时,圆柱的振幅几乎保持不变,但继续减小间隙比至1.21,圆柱在轴截面方向的振幅均方根显著增加。随着间隙比的减小,两根圆柱的振动相关性也表现出逐渐增大的趋势。同时,间隙比减小使圆柱的振动频率降低。
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