运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置及方法

本发明涉及反应堆热工水力实验，具体涉及一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置及方法。

背景技术：

1、板状结构的流致振动问题是在许多实际工程领域中经常遇到和急需解决的难题。叠层板状元件是核反应堆设计中采用的一种堆芯元件，因其高释热率、高换热效率的优点，在空间有限的场所中有很大应用前景。随着核能技术的日益进步，其在运动条件的研究与应用备受关注。在运动下的系统中，载体的运动会使堆内流体受周期变化的附加力作用，并改变设备间的相对位差，此时非稳态流场、燃料组件以及核反馈等过程具有强烈的耦合效应。叠层板状燃料组件服役安全性将会受到挑战，可能发生弯曲变形、流致振动、流动不稳定等物理现象，使得燃料元件冷却能力下降、腐蚀加速、功率偏移等问题，进而导致板状燃料元件开裂甚至烧毁的后果。

2、针对叠层板状燃料组件在运动条件中的流致振动特性研究仍较为薄弱，因此有必要开发相应的实验系统，对运动下的板状燃料组件流致振动特性做出综合评估。本发明可对板状燃料组件的应用提供支持。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置及方法，能够研究运动条件对叠层板状结构流致振动特性及流场演化的影响规律。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置及方法，其特征在于：包括安装试验段9的主回路系统，供水系统，测量系统，模拟运动条件的六自由度运动平台10；

4、所述主回路系统包括给水循环回路提供驱动压头的屏蔽泵4、y型过滤器5、测量主回路流量的主回路涡轮流量计7、控制水循环回路打开与关闭的第三阀门a3、试验段9、控制试验段流量的三通阀a4以及稳压罐14，试验段9连接在主回路的下降段中并位于六自由度运动平台10上，屏蔽泵4、主回路上升段、y型过滤器5、主回路涡轮流量计7、主回路下降段、稳压罐14依次相连，主回路涡轮流量计7后设旁通管道，旁通管道与试验段9流出管道交汇处设置三通调节阀a4，通过三通调节阀a4对流经试验段9流量进行调节，在旁通管道上设置旁路涡轮流量计12测量旁路流量；

5、所述供水系统包括去离子水池1、给水泵2、高位储液罐3、连接给水泵2与高位储液罐3的第一阀门a1、连接高位储液罐3与主回路系统管路的第二阀门a2，通过给水泵2将去离子水从去离子水池1提升到高位储液罐3，再由高位储液罐3向主回路系统充水。

6、所述测量系统包括示踪粒子6、激光源13、第一激光源高速摄像机x1、第二激光源高速摄像机x2、第一应力应变片b1、第二应力应变片b2和第二应力应变片b3，示踪粒子6在y型过滤器5出口处注入到主回路中，激光源13设置在试验段9旁，用于照射试验段9中示踪粒子，第一激光源高速摄像机x1、第二激光源高速摄像机x2安装在六自由度运动平台10上，分别拍摄试验段9进出口流场变化；第一应力应变片b1、第二应力应变片b2、第二应力应变片b3等距布置在试验段9的模拟件中心板上，测量模拟件中心板的变形与振动，激光源13设置在试验段9旁，用于照射试验段9中示踪粒子。

7、1、上述实验装置对应的实验方法，其特征在于：实验前准备，打开给水泵2、打开第一阀门a1，将水池1中的去离子水供应给高位储液罐3，待水位符合规定后关闭给水泵2、第一阀门a1，再打开第二阀门a2将高位储液罐3中去离子水充入主回路系统，待主回路系统充满水后关闭第二阀门a2；开始实验，打开第三阀门a3，打开屏蔽泵4，使去离子水开始在水循环回路中循环流动，通过相连接的氮气瓶15及稳压罐14控制回路压力稳定；通过调节三通调节阀a4，调节流经试验段9的流量；在仪控设备处设置六自由度运动平台10所需要的倾斜、起伏、摇摆参数，使试验段9处于所需的运动条件；对于流致振动实验，对于不同试验段9的通道内流量及运动参数，待主回路中压降、流量在运动条件下规律稳定时，通过数据采集设备持续采集信号，稳定振动保持预设时间后，完成实验工况；实验完成后，关闭屏蔽泵4，关闭第三阀门a3，并使六自由度运动平台10回到水平位置；最后关闭系统电源，实验结束；

8、通过对实验装置中试验段9的单个矩形通道均匀加压，理论计算得到模拟件中心板的挠度，三个应力应变片测量得到模拟件中心板的表面名义应变，进而得到布置应力应变片处表面名义应变与挠度的关系式，在流致振动实验中，依靠该关系式转换表面名义应变为模拟件中心板的挠度，实现对模拟件中心板的变形与振动的测量片。

9、本发明解决了运动条件下板状结构流致振动研究难题，弥补了相关空白，有助于加快板状燃料在运动条件下的应用，具有广阔应用前景。和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

10、1、本发明的试验段9安装在六自由度运动平台10上，除了能模拟陆基条件下的板状结构流致振动，还能通过对六自由度运动平台的仪控设备设置试验段9摇摆、起伏、倾斜参数，实现对运动条件的模拟，对比研究运动条件对板状结构流致振动的影响，有助于加快板状燃料在运动条件下的应用。

11、2、长边固定两短边自由的板状结构流致响应为微米级，易受环境因素的影响，例如泵以及管路的振动。对此，本发明采用多种隔振措施：试验段9通过入口波纹管8、出口波纹管11连接在主回路中，屏蔽泵4底部设置有阻尼弹簧减震器16；屏蔽泵4的混凝土基座与六自由度运动平台10的混凝土基座独立布置，尽量减小水循环回路的震动对实验结果的影响，降低实验误差，提高实验结果的准确性。

12、3、本发明除对板状结构流致振动信号进行采集，还能进行piv流场测量，实现对流场细节的捕捉，弥补板状燃料流致振动实验中流场演化研究的空白。

技术特征：

1.一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置，其特征在于：包括安装试验段(9)的主回路系统，供水系统，测量系统，模拟运动条件的六自由度运动平台(10)；

2.根据权利要求1所述的一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置，其特征在于：所述试验段(9)按照实验需求设计为矩形通道板状模拟件试验段；模拟件由有机玻璃及铝板沿长边等间距的螺母和螺杆夹紧组成，并用垫片以及胶粘处理进行密封。

3.根据权利要求1所述的一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置，其特征在于：所述试验段(9)通过入口波纹管(8)、出口波纹管(11)连接在主回路中，屏蔽泵(4)底部设置有阻尼弹簧减震器(16)，屏蔽泵(4)的混凝土基座与六自由度运动平台(10)的混凝土基座独立布置，通过以上措施能够减小水循环回路的震动对实验结果的影响。

4.根据权利要求1所述的一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置，其特征在于：所述六自由度运动平台(10)上设置配电设备、仪控设备、数据采集设备，实验时通过仪控设备设置试验段(9)摇摆、起伏、倾斜参数，实现对运动条件的模拟。

5.根据权利要求1所述的一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置，其特征在于：示踪粒子(6)为粒径50μm的聚酰胺示踪粒子，y型过滤器(5)过滤精度为80目，筛孔直径为180μm，示踪粒子能穿过y型过滤器；示踪粒子(6)注入主回路后，激光源(12)照射试验段，第一激光源高速摄像机(x1)、第二激光源高速摄像机(x2)对试验段(9)中示踪粒子运动轨迹进行追踪，从而获得试验段进出口精细流场特性。

6.根据权利要求1所述的一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置，其特征在于：在试验段(9)的模拟件中心板的中轴线等距布置安装三个应力应变片，从入口到出口分别为第一应力应变片(b1)、第二应力应变片(b2)、第三应力应变片(b3)，测量模拟件中心板的变形与振动。

7.权利要求1至6任一项所述的一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置的实验方法，其特征在于：实验前准备，打开给水泵(2)、打开第一阀门(a1)，将水池(1)中的去离子水供应给高位储液罐(3)，待水位符合规定后关闭给水泵(2)、第一阀门(a1)，再打开第二阀门(a2)将高位储液罐(3)中去离子水充入主回路系统，待主回路系统充满水后关闭第二阀门(a2)；开始实验，打开第三阀门(a3)，打开屏蔽泵(4)，使去离子水开始在水循环回路中循环流动，通过相连接的氮气瓶(15)及稳压罐(14)控制回路压力稳定；通过调节三通调节阀(a4)，调节流经试验段(9)的流量；在仪控设备处设置六自由度运动平台(10)所需要的倾斜、起伏、摇摆参数，使试验段(9)处于所需的运动条件；对于流致振动实验，对于不同试验段(9)的通道内流量及运动参数，待主回路中压降、流量在运动条件下规律稳定时，通过数据采集设备持续采集信号，稳定振动保持预设时间后，完成实验工况；实验完成后，使六自由度运动平台(10)回到水平位置，关闭屏蔽泵(4)，关闭第三阀门(a3)，最后关闭系统电源，排干实验装置中的去离子水，实验结束；

技术总结本发明公开了一种运动条件下板状结构流致振动特性研究实验装置及方法，该装置包括安装试验段的主回路系统，模拟运动条件的运动平台，供水系统以及测量系统。实验时，供水泵将去离子水从水箱提供到高位储液罐，使其充满整个管路。由屏蔽式离心泵驱动闭式循环流动，三通阀调节旁路流量和实验段流量，流体流经屏蔽式离心泵、Y型过滤器、涡轮流量计后，流入实验段，流过稳压器后完成循环。运动平台驱动实验段及其系统实现起伏、摇摆等运动及倾斜状态。本发明能够满足不同运动条件下叠层板状结构流致振动机理性实验研究，获得运动条件下叠层板状结构的振动响应和流场演化规律，同时采取了多种隔振措施减小了泵振动以及管道振动对实验结果的影响。技术研发人员：章静,张晓辉,巫英伟,李伟,苏光辉,贺亚男,田文喜,秋穗正,郑罡,涂睿,张华锋受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29