小型模块化压水核反应堆堆内构件模态特性研究.pdf
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1、第 卷第期 年月动 力 学 与 控 制 学 报J OUR NA LO FD YNAM I C SAN DC ON T R O LV o l N o J u n 文章编号:()D O I:/收到第稿,收到修改稿国家自然科学基金资助项目(),N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a()通信作者E m a i l:l a i j i a n g c o m小型模块化压水核反应堆堆内构件模态特性研究刘理涛杨世豪杨杰赖姜(中国核动力研究设计院 反应堆工程研究所,成都 )摘要小型模块化压水核反应堆的结构
2、形式与常规的压水核反应堆不同除了吊篮组件以外,还有小型模块化压水核反应堆独有的压紧组件、压紧筒组件和分流环板等结构为了对小型模块化压水核反应堆堆内构件流致振动行为进行准确的评估,首先应该确定堆内构件在空气和静水中的模态特征本文以国内自主研发的小型模块化压水核反应堆堆内构件为研究对象,采用AN S Y S软件对小型模块化压水核反应堆堆内构件在空气和静水中进行了干模态和湿模态分析,获得了吊篮组件、压紧组件、压紧筒组件以及分流环板在空气和静水中的固有频率及相应的振型,并开展模态试验验证了该分析方法的正确性该方法可运用到常规压水核反应堆堆内构件的模态分析中关键词堆内构件,小型压水堆,湿模态,模态试验中
3、图分类号:O 文献标志码:AE x p e r i m e n t a l a n dN u m e r i c a l S t u d yo nM o d a lC h a r a c t e r i s t i c so fI n t e g r a t e dM o d u l a rS m a l lN u c l e a rR e a c t o r I n t e r n a l sL i uL i t a o Y a n gS h i h a o Y a n gJ i e L a i J i a n g(N u c l e a rP o w e r I n s t i t u t
4、 eo fC h i n a,C h e n g d u ,C h i n a)A b s t r a c t T h es t r u c t u r a l f e a t u r e so f t h e i n t e g r a t e dm o d u l a rs m a l ln u c l e a rr e a c t o ra r ed i f f e r e n t f r o mt h et r a d i t i o n a ln u c l e a r r e a c t o r B e s i d e s t h e c o r eb a r r e l a s
5、s e m b l y,t h e r e a r e c o r e s u p p o r t a s s e m b l y,u p p e r c o r es u p p o r ta s s e m b l y,a n d f l o wd i s t r i b u t i o nd e v i c e i n t h ep r e s s u r ev e s s e l o f t h e i n t e g r a t e dm o d u l a r s m a l l n u c l e a r r e a c t o r T h em o d a l c h a r
6、a c t e r i s t i c so f t h e i n t e g r a t e dm o d u l a rs m a l ln u c l e a rr e a c t o r i n t e r n a l s i sv e r yi m p o r t a n t I nt h i sp a p e r,e x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a l s t u d i e sw e r ec a r r i e do u t t oo b t a i nt h en a t u r a l f r e q u e n c
7、i e sa n dm o d e s i na i ra n dw a t e r,r e s p e c t i v e l y T h ec o m p a r i s o n so f t h em o d a l c h a r a c t e r i s t i c so f t h er e a c t o r i n t e r n a l sb o t h i na i r a n dw a t e rb e t w e e n t h e e x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a l r e s u l t s i l l u
8、 s t r a t e d t h a t t h ea n a l y s i sm e t h o dc a nb eu s e dt op r e d i c t t h en a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dm o d e s K e yw o r d s r e a c t o r i n t e r n a l s,i n t e g r a t e dm o d u l a r s m a l l n u c l e a r r e a c t o r,m o d a l c h a r a c t e r i s t i c s,m
9、 o d a l a n a l y s i s引言压水核反应堆在正常运行过程中,堆内构件受到流体激励会发生复杂的流致振动行为准确获得堆内构件的流致振动响应,是评价核反应堆安全运行的关键指标之一通过学者们对常规的压水核反动力学与控制学报 年第 卷应堆堆内构件流致振动特性的研究,可以发现准确获得堆内构件在空气和静水中的模态特性,是开展堆内构件流致振动行为分析的前提和关键然而,一方面核反应堆堆内构件结构复杂,导致难以通过理论推导获得结构在静水中的附加质量;另一方面堆内构件结构之间的约束边界具有随机性,导致数值模型的约束边界状态难以确定因此,不少学者对压水核反应堆堆内构件的模态特性开展了试验和理论研
10、究马建中等提出了两类吊篮约束边界的简化模型,并通过计算分析了约束边界对吊篮固有频率的影响喻丹萍等开展了吊篮结构的模态和响应试验,获得了秦山核电厂二期 MW级核电站吊篮结构的模态特性和流致振动响应席志德等将堆内构件简化为同心圆柱壳结构,讨论了流速、密度等流体参数对吊篮结构固有频率的影响赖姜等讨论了由支承松弛导致的吊篮组件固有频率的变化规律此外,韩国学者对小型 核 反 应 堆 的 模 态 特 征 开 展 较 为 系 统 的 研究 L i m等通过缩比模型研究了静水中附加质量对堆内构件固有频率的影响 C h o i等 建立了有限元模型计算小型核反应堆堆内构件在静水中的模态特征,并与缩比模型试验结果进
11、行了对比验证L e e等 进一步讨论了流固耦合效应对堆内构件湿模态的影响随着核能工程的技术发展,为满足压水核反应堆小型化、模块化等要求,我国研发了具有自主知识产权的小型模块化压水核反应堆为获得并评估该核反应堆堆内构件的流致振动特性,笔者开展了一系列缩比模型试验与数值分析,包括模态试验与分析、流场测量与分析以及流致振动响应测量与分析等本文的研究内容为其中的一部分研究,主要是以该反应堆的吊篮组件、压紧组件、压紧筒组件为研究对象,采用试验测量与数值计算相结合的手段,确定堆内构件各个结构的约束边界以及附加质量,获得各结构在空气和静水中的固有频率及相应振型,为流致振动响应分析提供模型基础此外,通过试验结
12、果与数值结果的对比,验证了采用AN S Y S进行湿模态分析的方法,预测复杂堆内构件在静水中固有频率及振型的准确性小型模块化压水反应堆堆内构件模型小型模块化压水反应堆堆内构件与常规的压水反应堆堆内构件的结构形式有较大不同除了吊篮组件外,还包含独特的压紧组件、压紧筒组件和分流环板结构压力容器接管被分流环板隔开,形成堆芯的进口和出口一回路的水在压力容器接管进口进入反应堆内部,经过吊篮与压力容器形成的下降通道和流量分配装置后进入堆芯进行热交换;然后,流经压紧组件和压紧筒组件,从压紧筒组件的出水孔流入蒸汽发生器进行一次侧和二次侧的热交换;最后,从压力容器接管的出口流出具体的流动方式如图所示图小型模块化
13、压水反应堆示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f i n t e g r a t e dm o d u l a rs m a l l n u c l e a r r e a c t o r吊篮组件、压紧组件和压紧筒组件结构和约束边界十分复杂吊篮组件由吊篮筒体、流量分配罩和堆芯围筒组成,通过吊篮筒体法兰安装于压力容器中下部压紧组件由压紧筒体和内部的控制棒导向组件、支承柱等结构组成,通过压紧组件筒体法兰安装于吊篮筒体内部压紧筒组件由压紧筒体和内部的测量导管组成,安装在压紧组件筒体法兰上,通过上封头和压紧弹簧进行约束堆内构件的模态特性是建立流致振动响应分
14、析模型的关键输入和依据因此,为了研究吊篮组件、压紧组件和压紧筒组件的模态特性,首先需要通过空气中的模态试验确定吊篮组件、压紧组件和压紧筒组件的约束边界,为建立有限元模型提供依据;其次需要建立合理的湿模态分析方法,实现对堆内构件各关键结构在静水中的模态及振型的准确预测;最后通过静水中的模态试验验证该计算方法的正确性和准确性第期刘理涛等:小型模块化压水核反应堆堆内构件模态特性研究模态分析基本方法在核电站正常运行过程中,堆内构件与一回路的水构成一个流固耦合系统堆内构件在静水中的附加质量会影响结构的固有频率在湿模态计算中,水为无黏不可压缩流体,通过K i n s l e r假设,可将流体的动量方程和连
15、续性方程简化为波动方程,如下:pcpt()其中,c为水中的声速,p为流体声学压力Vc pptdVV LTp L pdV S p nTtudS()其中,为水的密度,p为试函数,L为边界的梯度向量,n为边界表面的法向量,u为节点速度向量对式()进行离散变化,可得:MAP KAPFf()其中,MA为流体质量矩阵,KA为流体刚度矩阵,P为声学压力向量,Ff为声学力向量根据H a m i l t o n原理,堆内构件在水中的动力学方程可表示为:MSU CSUKSUFS()其中,MS,CS,KS分别表示结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,FS表示流体作用在流固界面上的耦合作用力矩阵结合式()和式()可得到
16、堆内构件流固耦合方程的统一矩阵方程:MSLTMAU P CSUP KSLKAUPFSFf对式()进行特征值分析,可得到结构的湿模态频率及振型模态试验方法测量方法模态试验方法通常可以分为试验模态分析(E x p e r i m e n t a lM o d a lA n a l y s i s,EMA)和运行模态分析(O p e r a t i o n a lM o d a lA n a l y s i s,OMA)基于输入与输出信号的EMA其原理是通过测量激励(输入)和响应(输出)时程,对信号进行傅里叶变换,将时程信号变换为频率信号,经过计算和曲线拟合等处理,求出频率响应函数(或传递函数),并
17、通过参数识别方法辨识出结构的模态参数和物理参数,从而得到结构的固有频率、响应振型及阻尼仅基于输出信号的OMA方法其基本思想是两个响应点之间的互相关函数和脉冲响应函数有相似的表达式,而后使用参数识别方法进行模态参数识别,得到结构的固有频率、响应振型及阻尼EMA需要测量输入信号(一般为力信号),因此输入端的能量不能过大使得力传感器过载,因而有的振型可能因为能量不足而无法激振得到;而OMA无法得到正则振型且环境激励的能量、周期性等性质不明,故其准确度较EMA低因此,试验中根据实际情况使用EMA与OMA方法传感器安装方式小型模块化压水反应堆堆内构件主要包含了吊篮组件、压紧组件、压紧筒组件和分流环板结构
18、为了获得相关结构在空气和静水中的模态特征,需要在以上四个主要结构中分别安排单向防水加速度传感器进行模态测量其中,吊篮组件一共安装单向防水加速度传感器 个,位于吊篮筒体内表面距吊篮法兰顶部 mm、mm和 mm三个 高 度,环 向、位置,如图所示图吊篮组件传感器布置示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e l o c a t i o n so f t h ea c c e l e r a t i o ns e n s o r so f c o r eb a r r e l压紧组件一共安装单向防水加速度传感器 个,位于压紧组件筒体内表面距筒体法
19、兰下表面 mm和 mm两 个 高 度,环 向、动力学与控制学报 年第 卷 、位置,如图所示图压紧组件传感器布置示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e l o c a t i o n so f a c c e l e r a t i o ns e n s o r so f c o r es u p p o r t a s s e m b l y压紧筒组件一共安装单向防水加速度传感器 个,位于压紧筒组件筒体外表面距筒体法兰下表面 mm、mm和 mm三个高度,环向、位置,如图所示图压紧筒组件传感器布置示意图F i g S c h e m a
20、t i cd i a g r a mo f t h e l o c a t i o n so f a c c e l e r a t i o ns e n s o r so fu p p e r c o r es u p p o r t a s s e m b l y模态试验与数值结果空气和静水中的试验结果为了准确模拟堆内构件各结构之间约束边界,在开展模态试验之前,将吊篮组件、压紧组件和压紧筒 组 件 等 安 装 在 压 力 容 器 内吊 篮 筒 体 直 径 为 mm,长 度 为 mm压 紧 组 件 筒 体 直 径 为 mm,长 度 为 mm压 紧 筒 组 件 筒 体 直 径 为 mm,长度为
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