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        蒸汽發(fā)生器傳熱管流體誘發(fā)振動研究綜述

        2021-08-24 12:21:00王宇陽陶舒暢姚麗璇
        科技視界 2021年21期
        關(guān)鍵詞:漩渦管束湍流

        蘇 桐 王宇陽 陶舒暢 余 浩 姚麗璇

        (中國核動力研究設(shè)計院核反應堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點試驗室,四川 成都610213)

        0 引言

        能源問題一直是影響國家和社會發(fā)展的重要問題。我國是能源消費大國,為了解決對化石能源的過度依賴,核能、風能、太陽能等清潔能源得到大力發(fā)展。自國務(wù)院正式批準《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020年)》后,我國對核能開發(fā)的態(tài)度已轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺e極推進核電建設(shè)”,核電得到跨越式發(fā)展,核電發(fā)電量占國內(nèi)總發(fā)電量的比例從不到2%提高至約4%,并長期處于上升趨勢。

        蒸汽發(fā)生器作為壓水堆核電系統(tǒng)核島中最重要的主設(shè)備之一,承擔著一回路與二回路之間傳熱、并產(chǎn)生干蒸汽的作用。由于蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特性,二回路流體中的雜質(zhì)幾乎都滯留在蒸汽發(fā)生器中,使設(shè)備內(nèi)流體介質(zhì)環(huán)境條件惡劣,同時,蒸汽發(fā)生器中的數(shù)千根傳熱管也是核島一回路中壓力邊界最薄弱的位置,一旦傳熱管受損破裂(SGTR);將影響整個核島系統(tǒng)的運行。

        相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果表明,在1979年至1994年間,共存在55臺蒸汽發(fā)生器由于傳熱管破裂而被迫提前退役,造成設(shè)備壽命遠遠低于設(shè)計壽命;而對1993年至2012年期間的235座在役核電站進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),其中有138座核電站中都發(fā)生過蒸汽發(fā)生器傳熱管磨損問題[1]。此外,在2012年時,美國San Onofre核電站發(fā)生傳熱管破裂事故,致使整座核電站被迫提前退役。引起壓水堆核電蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂的原因很多,而流體誘發(fā)振動是其中最重要的一個因素。

        本文基于蒸汽發(fā)生器傳熱管流體誘發(fā)振動的現(xiàn)象,對現(xiàn)有研究成果進行了系統(tǒng)性總結(jié),并對新出現(xiàn)的傳熱管面內(nèi)振動問題進行了說明,提出了未來的研究重點。

        1 流體誘發(fā)振動機理分析

        流體誘發(fā)振動指流體介質(zhì)中結(jié)構(gòu)受到來自流體的作用力從而產(chǎn)生振動的現(xiàn)象。由于傳熱管呈倒U形結(jié)構(gòu),管束只有直段端部與管板連接為焊接,管束整體結(jié)構(gòu)柔性大,容易產(chǎn)生流體誘發(fā)振動現(xiàn)象。已有的研究成果將流體誘發(fā)振動按機理分為四種類型,即湍流抖振、漩渦脫落、聲共振,以及流體彈性失穩(wěn)振動。

        1.1 湍流抖振

        二回路流體在蒸汽發(fā)生器換熱段內(nèi)處于湍流狀態(tài),流體脈動變化的壓力、速度場將持續(xù)作用于傳熱管上,傳熱管吸收這部分能量并產(chǎn)生一定的振動,當湍流的脈動頻率與傳熱管陣列的某一振型相關(guān)時,傳熱管將發(fā)生激振現(xiàn)象。由于湍流抖振的頻率范圍很寬,傳熱管的振幅隨管間流速的增加而增大。對于蒸汽發(fā)生器及大多數(shù)常規(guī)換熱器來說,需要保證介質(zhì)流體處于湍流狀態(tài)以提高換熱效率,但同時也應盡量降低湍流抖振的影響,減少傳熱管振動造成的損傷。

        1.2 漩渦脫落

        傳熱管表面存在一個流體邊界層,邊界層厚度很小,速度和壓力梯度很大,而邊界層外流速幾乎與流體的主流速相同。流體在繞流經(jīng)過傳熱管時,邊界層的流體能量將由于管子表面的摩擦力和流體黏性力而消耗,并在管子后部某一位置耗盡,由于此時邊界層內(nèi)外壓差較大,將在尾流產(chǎn)生回流形成漩渦,并被邊界層外的流體包裹而后從壁面脫出,從而產(chǎn)生漩渦脫落。當流體雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)時,將會產(chǎn)生周期性的交替漩渦,從而對管子產(chǎn)生周期性作用力,引發(fā)管子的振動。漩渦脫落的基礎(chǔ)是卡曼渦街效應,因此,更容易發(fā)生在具備足夠的尾流發(fā)展空間的條件下,而在小節(jié)徑比的密排管束陣列中往往受到抑制。

        1.3 聲共振

        當換熱器中流體產(chǎn)生漩渦脫落引起管子振動時,將在管子周圍引起彈性激波,彈性激波將沿管子徑向傳播,并在設(shè)備內(nèi)壁反彈回來,從而產(chǎn)生聲學駐波以及機械波,當產(chǎn)生的聲學駐波和機械波能量累積后,就會引起機械振動,而振動情況主要與殼程流體性質(zhì)相關(guān)。由于僅當殼程流體為氣體時,聲共振才可能成為流體誘發(fā)振動的主要機理,而在液體中聲共振難以產(chǎn)生,所以,在壓水堆核電蒸汽發(fā)生器中,聲共振通常不在研究范圍內(nèi)[2]。

        1.4 流體彈性不穩(wěn)定

        傳熱管受到湍流和漩渦脫落作用而產(chǎn)生振動時,也將對周圍的流體產(chǎn)生作用,形成流體與結(jié)構(gòu)的運動耦合系統(tǒng)。當流體流動輸入的能量大于系統(tǒng)因為阻尼耗散的能量時,管子的振幅將大幅增加,直至阻尼耗散作用與流體能量輸入達到新的平衡,這種現(xiàn)象即為流體彈性不穩(wěn)定。

        在介質(zhì)橫流過管束的情況下,傳熱管的典型振動響應情況如圖1所示[3]。通常來說,湍流抖振的振動規(guī)律性不強,不是造成管束振動磨損的主要原因,而是引發(fā)流體彈性不穩(wěn)定的因素。當流速超過臨界流速時,由于流體彈性不穩(wěn)定產(chǎn)生的管束振動是蒸汽發(fā)生器傳熱管損傷的主要因素,也是學術(shù)研究和工程應用中最為關(guān)注的部分。

        圖1 傳熱管振動與介質(zhì)流速的關(guān)系

        2 理論模型研究

        Weaver和Taylor[4,5]等人分別對單相和多相流條件下的管束湍流抖振進行了研究和總結(jié)。假設(shè)流體激振力為隨機且具有足夠的頻帶寬度,則傳熱管的振動響應可以根據(jù)經(jīng)典隨機振動理論進行計算。通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,他們將湍流激振力用功率譜密度(PSD)的方式進行表達,再結(jié)合管束結(jié)構(gòu)特性求解振動幅值,并給出了經(jīng)驗系數(shù)的取值建議,使得模型能在一定情況下滿足工程需求。姜乃斌[6]等人根據(jù)水-蒸汽、水-空氣以及氟利昂等不同介質(zhì)下的實驗數(shù)據(jù),對兩相流下湍流激振力的PSD包絡(luò)譜進行了修正,計算結(jié)果表明,他們的包絡(luò)譜在用于湍流抖振計算時,可以包絡(luò)Taylor等人的實驗結(jié)果且不至于過度保守。

        基于實驗結(jié)果和理論分析,Bishop、Blevins[7,8]等學者針對漩渦脫落也建立了適用不同范圍的模型。對于雷諾數(shù)在103至105范圍下的漩渦脫落,可以依靠尾流振蕩模型進行預測,而基于隨機原理的相關(guān)模型可以較為準確地計算單管小振幅下漩渦脫落產(chǎn)生的誘發(fā)振動。單自由度模型[9]由于可以在不考慮漩渦脫落細節(jié)的情況下計算系統(tǒng)的最大響應,更加受到工程設(shè)計的歡迎,目前,基于單自由度模型的研究主要集中在流體力的表達方式上。

        現(xiàn)有的研究中,對于管束流體彈性不穩(wěn)定的數(shù)學模型有一個較為統(tǒng)一的形式:

        基于系統(tǒng)的能量平衡觀點,Connors[10]認為在任一時刻下,管受到的流體力與系統(tǒng)內(nèi)各管的位置相關(guān),當管受到的激勵大于振動和阻尼耗散所做的功時,管的振幅將急劇增大,即發(fā)生流體彈性失穩(wěn)。Connors借助準靜態(tài)分析方法建立了臨界流速(Ucr)與質(zhì)量阻尼之間的關(guān)系式:

        該公式由于簡單有效,易于理解,被廣泛應用于工程上判定是否會產(chǎn)生流體彈性不穩(wěn)定。其中,系數(shù)K最初取值為9.9,但工程經(jīng)驗表明該取值明顯偏大,不能確保換熱器管束的安全性。Paidoussis在分析眾多學者的研究結(jié)果后,認為K值取3.3可以包絡(luò)大部分換熱器管束工況。

        Weaver和Lever[11]建立了流體彈性不穩(wěn)定的流管模型。他們將管束之間的間隙看作彎曲的“流管”,流體在橫流流經(jīng)管束時主要沿著“流管”運動,管子受到湍流影響產(chǎn)生振動后,周圍的流管截面寬度將即時發(fā)生改變,但流量變化相對滯后,造成流速變化,從而對管子產(chǎn)生隨時間變化的不對稱的流體力,激發(fā)管束振動。

        Chen[12]等人從數(shù)學模型出發(fā),認為對于一個確定的管陣結(jié)構(gòu),引起管束失穩(wěn)振動的機理分為阻尼機理和剛度機理。隨著流速增加,如果系統(tǒng)的模態(tài)阻尼減小至負值,系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定,此時即為阻尼機理主導的失穩(wěn)現(xiàn)象;如果是由于流體彈性力的作用增強了管束之間的耦聯(lián),則會引發(fā)剛度機理主導的失穩(wěn)。在實際情況下,管束振動是兩種機理共同作用的結(jié)果。Chen建立了失穩(wěn)振動的非穩(wěn)態(tài)模型,在對比眾多理論模型后,認為非穩(wěn)態(tài)模型具有更好的普適性,但由于模型需要的流體力系數(shù)過多,實驗中難以得到所有的流體力系數(shù),影響了非穩(wěn)態(tài)模型的實際應用。

        3 實驗研究

        流體誘發(fā)振動的實驗研究始于20世紀70年代,早期以單排直管或直管陣列的風洞實驗或水洞實驗為主,通過改變管束的剛度和阻尼、管陣結(jié)構(gòu)及流速得到了包括臨界流速、質(zhì)量阻尼參數(shù)、流體力系數(shù)在內(nèi)的一系列參數(shù)之間的關(guān)系。

        蒸汽發(fā)生器內(nèi)部為高溫高壓環(huán)境下的氣-液兩相流環(huán)境,在此條件下進行實驗成本很高,因此,在研究時通常會選擇空氣-水或氟利昂環(huán)境進行替代研究。Pettigrew[13]曾使用氟利昂作為介質(zhì),進行汽-液兩相流條件下的流體誘發(fā)振動實驗,在將實驗結(jié)果與空氣-水兩相流的結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn),在氟利昂環(huán)境中的湍流激勵明顯弱于空氣-水環(huán)境,在汽相分率大于50%后,氟利昂環(huán)境下流體質(zhì)量流量的變化對管束失穩(wěn)的影響也更微弱。

        兩相流條件下管束振動機理更加復雜,流體性質(zhì)、含氣率、溫度、壓力以及兩相流流型都可能影響振動結(jié)果,因此,需要補充大量的實驗數(shù)據(jù)與成果,并重新建立或修正已有的理論模型。目前,對于兩相流下的振動研究尚有許多不足。Alyaldin[14]等人對氣-水兩相中的流體力系數(shù)進行了測量,希望能用于非定常流動模型中。實驗結(jié)果表明,被測管周圍彈性管的影響難以定量,使全彈性管陣系統(tǒng)很難建立準確的非定常流動模型。

        4 數(shù)值模擬研究

        數(shù)值模擬手段可以解決實驗所面臨的部分問題,如部分參數(shù)的獲取、極端工況的研究等,已成為研究管束振動的重要方法之一。

        現(xiàn)有模擬手段根據(jù)模型維度不同可以分為二維模型和三維模型;根據(jù)耦合方法可以分為雙向流固耦合和單向流固耦合。雙向流固耦合方法將在時間迭代過程中交替更新流場和結(jié)構(gòu)場參數(shù),從而計算流場與結(jié)構(gòu)場的相互作用。相對而言,單向流固耦合方法沒有考慮結(jié)構(gòu)變化對流場的影響。雖然二維模型、單向流固耦合都在一定程度上損失了信息,但將顯著減少計算量,對于蒸汽發(fā)生器來說,管束結(jié)構(gòu)過于復雜,當前計算能力下難以實現(xiàn)完整模型的建模計算,需要根據(jù)關(guān)注重點對模型進行適當簡化,包括結(jié)構(gòu)簡化、耦合方法、時間尺度、湍流模型、采用有限元方法時網(wǎng)格的精細程度等。

        Khalifa[14]通過數(shù)值模擬方法研究了節(jié)徑比為1.54的三角形管陣中管束振動和流體響應之間的關(guān)系,提出了可以與流管模型相結(jié)合的時間滯后經(jīng)驗模型。吳皓[15]基于格子玻爾茲曼(LBM)方法提出了新的流固耦合計算手段,通過在管束周圍增加一圈隨管束運動的附加流體網(wǎng)格,避免了動網(wǎng)格模型中網(wǎng)格變形和重繪帶來的一系列問題,提高了計算的穩(wěn)定性。Hassan[16]分別建立了單根直管和U形管的非線性時域模型,該模型可以考慮蒸汽發(fā)生器中防振條或支撐板位置支撐松弛帶來的影響,模型將流體作用力以功率譜形式加載,對于計算非線性振動具有很大價值。

        5 管束面內(nèi)振動的新問題

        壓水堆核電蒸汽發(fā)生器采用U形傳熱管,傳熱管彎管段會存在面內(nèi)和面外兩個方向的振動。面內(nèi)振動與流體來流方向平行,而面外振動垂直于來流方向,將直接使管與防振條產(chǎn)生碰撞,也是傳熱管磨損的主要原因。由于在2012年San Onofre核電站發(fā)生事故以前,從未發(fā)現(xiàn)面內(nèi)振動造成的傳熱管破裂,相關(guān)實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)均不足。

        近幾年來,針對傳熱管面內(nèi)振動失效,國內(nèi)外做了部分相關(guān)實驗,并開展了一定的分析。Feenstra[17]等人在加拿大電力研究所(EPRI)核能實驗室進行了基于多跨U形傳熱管的振動實驗。在蒸汽發(fā)生器正常運行時,傳熱管U形段二次側(cè)區(qū)域的氣含率非常高,為了接近實際工況,F(xiàn)eenstra采用了單相空氣的試驗環(huán)境。實驗結(jié)果表明,面內(nèi)振動只存在于管束耦合振動系統(tǒng)中,同時當存在支承間隙時,有限振幅的面外振動會先于面內(nèi)振動出現(xiàn)。Tan[18]等人采用懸臂梁式直管模型研究了在空氣-水環(huán)境中的振動失穩(wěn)現(xiàn)象,直管在兩個方向上的剛度比約為1:4。在此情況下,管束的耦合失穩(wěn)將出現(xiàn)在剛度較小的方向上。通過計算得到符合Connors公式的失穩(wěn)常數(shù)在順流方向為17.6,而在橫流方向為5.3。

        6 結(jié)語

        核電站主設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性是核能開發(fā)的基石。蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱管作為一回路壓力邊界最為薄弱的位置,其振動問題得到了國內(nèi)外研究人員的重視。對于流體誘發(fā)振動的研究已延續(xù)了數(shù)十年,在理論、實驗和數(shù)值模擬上均取得了一定進展,并在指導工程設(shè)計中發(fā)揮了重要作用。但目前仍有許多問題尚未能得到徹底解決,同時也發(fā)現(xiàn)了新的問題。蒸汽發(fā)生器內(nèi)高溫高壓的兩相流環(huán)境條件、數(shù)千根管的復雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及防振條與傳熱管之間可能存在的非線性接觸條件,都提高了研究流體誘發(fā)振動的難度和復雜性,因此,還需要新的方法和思路進行進一步研究,解決振動的理論問題和計算問題,才能更好地指導工程設(shè)計,提高設(shè)備的可靠性。

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