叠层板状结构的流固耦合振动特性研究

摘要

叠层板状元件是核反应堆设计中所采用的一种新型堆芯燃料元件，它是由多个板状燃料元件平行地安装在高速流动的冷却流中，构成平行板叠层结构。冷却剂的高速流动可使板状元件产生较大振幅的流固耦合振动并导致元件的失稳破坏。 本文以核反应堆中的新型叠层板状堆芯元件的应用为背景，对该元件的流固耦合振动特性进行了研究。提出了将叠层板状结构视为多层平行板梁与整体单梁的对接问题的动力特性分析方法，并对该叠层板型元件实验模型的干模态固有频率与振型进行了理论分析和计算；采用势流理论和Green函数法导出的流体的附连质量，导出了叠层板型元件流固耦合运动方程及其复模态振型方程，计算了叠层板型元件的流固耦合振动特性；用动态电磁法分别对单板和叠层板元件的流致振动进行了测试；对叠层板元件在流场中的临界流速进行了研究，分析了不同的几何参数对临界流速的影响。 通过理论分析、计算和实验，得出如下结论：电磁法测试振动具有较高的可靠性和精度，对流致振动的测试具有良好的适用性，是一种行之有效的动态测试手段；分析叠层板型元件的流固耦合振动特性时，采用多层平行板梁与整体单梁对接的力学模型是可行的；板状结构的流致振动具有复模态特性,各阶固有频率均随流速的增大而降低，而且低阶比高阶下降的速度更快；减小水隙高度，增加垫条宽度和板的厚度以及焊接段的长度，均可提高临界流速；增加板的长度，临界流速则急剧下降。 本项研究从理论计算和实验等方面找到了一些规律性的结果，可为核反应堆堆芯元件的设计和安全分析提供一些有用的方法和数据。