基于蒸汽干燥器聲疲勞比例模型試驗(yàn)的聲固耦合動(dòng)力相似準(zhǔn)則推導(dǎo)

張 鍇

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

基于蒸汽干燥器聲疲勞比例模型試驗(yàn)的聲固耦合動(dòng)力相似準(zhǔn)則推導(dǎo)

張 鍇

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

核電廠蒸汽干燥器上裂紋的存在威脅電廠的正常運(yùn)行，導(dǎo)致電廠計(jì)劃外停堆和低功率下運(yùn)行。研究表明，主蒸汽管線中的聲共振現(xiàn)象及由此產(chǎn)生的聲載荷是造成干燥器嚴(yán)重裂紋失效的主因。由于干燥器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和聲固耦合作用，需采用比例模型試驗(yàn)的方法來(lái)研究干燥器的聲疲勞機(jī)理。本文根據(jù)相似學(xué)第二定理，從彈性力學(xué)和聲學(xué)的基本控制方程出發(fā)，推導(dǎo)了蒸汽干燥器聲疲勞問(wèn)題的尺度相似律和聲固耦合模型試驗(yàn)的相似比例關(guān)系，藉此指導(dǎo)干燥器聲疲勞模型試驗(yàn)的開(kāi)展，確保在模型試驗(yàn)中重現(xiàn)實(shí)際電廠干燥器上發(fā)生的重要物理現(xiàn)象，為最終開(kāi)發(fā)出干燥器防治聲共振的設(shè)計(jì)和校核方法打下理論基礎(chǔ)。

蒸汽干燥器，聲共振，比例模型，尺度相似律，聲固耦合

通常情況下，電廠蒸汽干燥器部件上發(fā)現(xiàn)的裂紋，其尺寸都比較小，通過(guò)簡(jiǎn)單修補(bǔ)和檢查后仍可繼續(xù)使用。但近年來(lái)，在部分電廠蒸汽干燥器上發(fā)現(xiàn)大量裂紋，嚴(yán)重威脅電廠正常運(yùn)行，迫使電廠為修補(bǔ)裂紋計(jì)劃外停堆，導(dǎo)致相關(guān)機(jī)組為避免裂紋的復(fù)發(fā)在低功率下運(yùn)行[1]。因此有必要對(duì)這一現(xiàn)象開(kāi)展深入研究，加強(qiáng)對(duì)裂紋成因的理解，以應(yīng)對(duì)蒸汽干燥器失效。

初步研究表明，造成蒸汽干燥器失效的主要原因是聲致振動(dòng)[1]。即由于主蒸汽管線內(nèi)蒸汽的高速流動(dòng)，在管線的閥門處出現(xiàn)湍流和旋渦脫落，當(dāng)旋渦脫落頻率與管線和閥門的聲固有頻率接近時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的流致聲共振現(xiàn)象，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)(聲載荷)沿主蒸汽管線傳播到蒸汽干燥器上，導(dǎo)致其高周聲疲勞失效。

考慮到干燥器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和聲固耦合作用，干燥器的聲疲勞機(jī)理難以用純理論方法求解，或者純分析方法建模，而直接在現(xiàn)有電廠的蒸汽干燥器上運(yùn)行測(cè)試不切實(shí)際。決定采用比例模型試驗(yàn)的方法來(lái)研究實(shí)際電廠中蒸汽干燥器在最惡劣工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和疲勞問(wèn)題。比例模型試驗(yàn)方法在電廠流致振動(dòng)及其它問(wèn)題的研究中被證明是一種可靠有效的試驗(yàn)方法[1,2]。根據(jù)相似學(xué)第二定理，為保證在比例模型試驗(yàn)中重現(xiàn)原型中發(fā)生的物理現(xiàn)象，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)滿足一定的相似律。本文從彈性力學(xué)和聲學(xué)的基本控制方程出發(fā)，確定在電廠干燥器聲疲勞問(wèn)題中起重要作用的無(wú)量綱參數(shù)，推導(dǎo)聲固耦合條件下的動(dòng)力學(xué)相似準(zhǔn)則，得到把模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到實(shí)際電廠條件下所需的尺度相似律，并根據(jù)所推導(dǎo)的尺度相似律，得到所關(guān)心物理量在模型試驗(yàn)和原型電廠中的相似比例關(guān)系。

1 蒸汽干燥器的布置與構(gòu)造

圖1為蒸汽干燥器的布置與構(gòu)造，其實(shí)際位置位于蒸汽發(fā)生器上部筒體中。蒸汽在通過(guò)主蒸汽管嘴離開(kāi)蒸汽發(fā)生器前，先流過(guò)汽水分離器和蒸汽干燥器，去除汽流中的液體成分。當(dāng)蒸汽離開(kāi)干燥器時(shí)，蒸汽濕度達(dá)0.1%以下。蒸汽離開(kāi)蒸汽發(fā)生器后，通過(guò)主蒸汽管線到達(dá)汽輪機(jī)。主蒸汽管線包括多個(gè)閥門和彎管，如：文丘里管、安全閥和隔離閥。

蒸汽干燥器及主蒸汽管線中蒸汽參數(shù)為：蒸汽壓力：6.0 MPa，蒸汽溫度：276oC，蒸汽密度：30.83 kg/m3，聲速：520 m/s，主蒸汽管線蒸汽平均流速：75 m/s。

2 蒸汽干燥器聲致振動(dòng)相似律推導(dǎo)

模型試驗(yàn)的目的是確定蒸汽干燥器模型在聲致振動(dòng)下的表面載荷分布和聲疲勞特性，最終為實(shí)際電廠蒸汽干燥器提供設(shè)計(jì)依據(jù)。幾何相似的比例模型主要模擬蒸汽干燥器及其所處聲場(chǎng)環(huán)境。由于蒸汽的流動(dòng)狀態(tài)、系統(tǒng)溫度和熱傳導(dǎo)并不是試驗(yàn)主要關(guān)心的問(wèn)題，因此不考慮流體力學(xué)控制方程和能量守恒。

圖1 蒸汽干燥器的布置與構(gòu)造Fig.1 General schematic of the steam dryer.

2.1基本方程

基于小變形假設(shè)和材料各向同性假設(shè)，彈性力學(xué)位移解法基本控制方程即拉梅-納維爾(L-N)方程[3]為：

基于小振幅假設(shè)和無(wú)粘絕熱假設(shè)，聲學(xué)基本控制方程即聲波動(dòng)方程[4]為：

在聲固界面上，法向聲壓梯度應(yīng)與固體的法向加速度在界面處連續(xù)，即界面平衡條件為：

其中，u為結(jié)構(gòu)微元位移矢量；F為結(jié)構(gòu)微元所受體積力矢量；p為聲介質(zhì)微元聲壓；nu為結(jié)構(gòu)微元法向位移；λ、G為結(jié)構(gòu)材料拉梅常數(shù)，；E為結(jié)構(gòu)材料楊氏模量；υ為結(jié)構(gòu)材料泊松比；ρs為結(jié)構(gòu)材料密度；c為聲介質(zhì)聲速；上標(biāo)¨代表?2/?t2。

為把控制方程改寫(xiě)為無(wú)量綱形式，先定義正則化變量和特性，使其數(shù)值在0.0與1.0之間。比如，如果變量φ的初值為φi，其最大預(yù)期變化范圍為Δφ，則其無(wú)量綱形式為：其值在0.0與1.0之間，記為O(1)，或者“1.0量級(jí)”。有些特性可通過(guò)簡(jiǎn)單的方式φ~=φφr進(jìn)行無(wú)量綱化，式中φr為參考值?？紤]到模型與原型幾何相似，使用以下無(wú)量綱變量：

其中，L為尺度；t為時(shí)間；下標(biāo)s代表結(jié)構(gòu)相關(guān)；a代表聲場(chǎng)相關(guān)。

把正則化變量和特性代入各基本方程為：

其中，無(wú)量綱數(shù)組為：

當(dāng)研究某個(gè)特定現(xiàn)象時(shí)，先結(jié)合該現(xiàn)象情況，確定相關(guān)特性的變化量，導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱數(shù)組表達(dá)式。由各無(wú)量綱數(shù)組的相對(duì)大小可知在模型試驗(yàn)中需要與原型保持一致的物理量或物理量組，即模型相似律。

2.2結(jié)構(gòu)相關(guān)模型相似律

要保證模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與原型一致，需確定方程(9)中的無(wú)量綱數(shù)組。時(shí)間、位移和尺度的參考值分別為：

由于在蒸汽干燥器聲疲勞問(wèn)題中，結(jié)構(gòu)所受體力只有重力，所以：

其中，fs為干燥器結(jié)構(gòu)基頻；δdryer為干燥器波形板板厚；Ldryer為干燥器長(zhǎng)度；g為重力加速度。

由此，方程(9)中與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)相關(guān)的無(wú)量綱數(shù)組可化為：

則式(14)化為：

由上式，無(wú)量綱數(shù)Ln出現(xiàn)在所有結(jié)構(gòu)相關(guān)無(wú)量綱數(shù)組中。因此，要比較各個(gè)無(wú)量綱數(shù)組的大小和重要性，只需計(jì)算和比較各無(wú)量綱數(shù)組除無(wú)量綱數(shù)Ln外其余部分，即以下各個(gè)無(wú)量綱數(shù)組的數(shù)值大小，即可得到模型試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)相關(guān)的相似律：

2.3聲場(chǎng)相關(guān)模型相似律

要保證模型聲效應(yīng)與原型一致，需確定方程(9)中的無(wú)量綱數(shù)組。時(shí)間和尺度的參考值分別為：

其中，fa為干燥器周圍蒸汽發(fā)生器上封頭和上筒體的聲場(chǎng)基頻，DSG為蒸汽干燥器直徑。

由此，方程(9)中與聲效應(yīng)相關(guān)的無(wú)量綱數(shù)組可化為：

則式(19)化為：

由上式，聲場(chǎng)相關(guān)的無(wú)量綱數(shù)組僅有一個(gè)(π5)。因此，無(wú)需再比較無(wú)量綱數(shù)組的數(shù)值大小，無(wú)量綱數(shù)組π5即為模型試驗(yàn)中聲場(chǎng)相關(guān)的相似律。

2.4聲固界面相關(guān)模型相似律

要保證模型聲固界面的特性與原型一致，需確定方程(9)中的無(wú)量綱數(shù)組。時(shí)間、位移和尺度的參考值為：

聲壓的參考值設(shè)為干燥器聲固界面所受最大聲壓：

其中，Pdryer為蒸汽干燥器表面所受最大聲壓。

由此，方程(9)中與聲固界面特性相關(guān)的無(wú)量綱數(shù)組可化為：

無(wú)量綱數(shù)Ln出現(xiàn)在無(wú)量綱數(shù)組π6中，式(26)進(jìn)一步化為：

由上式，聲固界面相關(guān)的無(wú)量綱數(shù)組僅有一個(gè)(π6)。因此，無(wú)需再比較無(wú)量綱數(shù)組的數(shù)值大小，無(wú)量綱數(shù)組(π6)即為模型試驗(yàn)中聲固界面相關(guān)的相似律。

2.5模型試驗(yàn)基本相似律匯總

要保證模型試驗(yàn)中重現(xiàn)原型電廠中的物理現(xiàn)象和規(guī)律，需滿足各個(gè)無(wú)量綱數(shù)組的數(shù)值不變。實(shí)際上，由于模型的尺度與原型電廠不同，無(wú)法滿足所有無(wú)量綱數(shù)組數(shù)值不變的要求，因此只能在這些無(wú)量綱數(shù)組中選擇一些重要的，滿足其數(shù)值不變，從而確保在模型試驗(yàn)中重現(xiàn)了原型電廠中更為重要的物理現(xiàn)象。使用原型電廠中具有代表性的物理量數(shù)值來(lái)評(píng)估各個(gè)無(wú)量綱數(shù)組的相對(duì)重要性，通過(guò)將這些數(shù)值代入到各個(gè)無(wú)量綱數(shù)組的參考值中，可以得到原型電廠中各個(gè)無(wú)量綱數(shù)組的相對(duì)數(shù)值大小，從而分辨出在原型電廠中發(fā)揮更為重要作用的無(wú)量綱數(shù)組。表1匯總了原型電廠中每個(gè)參考值具有代表性的數(shù)值，表2列出了原型電廠中各個(gè)無(wú)量綱數(shù)組的數(shù)值。

表1 電廠中參考物理量代表性數(shù)值Table 1 Reference values for physical quantities in plant.

由表2，在結(jié)構(gòu)相關(guān)的相似律中，π1、π2和π3的量級(jí)接近，均在原型電廠結(jié)構(gòu)相關(guān)物理現(xiàn)象中發(fā)揮重要作用。而π4的量級(jí)較小，反映重力作用不是原型電廠結(jié)構(gòu)的主要因素，可以在模型試驗(yàn)中忽略。因此，π1、π2和π3是結(jié)構(gòu)相關(guān)的相似律。在聲場(chǎng)相關(guān)的相似律中，π5是唯一的聲場(chǎng)相關(guān)相似律。在聲固界面相關(guān)的相似律中，π6是唯一的聲固界面相關(guān)相似律。進(jìn)一步令：

表2 電廠中各無(wú)量綱數(shù)組數(shù)值Table 2 Numerical values for non-dimensional groups for each phenomenon considered.

表3歸納了原型電廠中重要的無(wú)量綱數(shù)。表3所列無(wú)量綱數(shù)是原型電廠中重要物理現(xiàn)象的控制因素，因此在模型試驗(yàn)中應(yīng)保持其數(shù)值不變，從而獲得合理的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 重要無(wú)量綱數(shù)匯總表Table 3 Summary of significant non-dimensional groups.

3 模型試驗(yàn)參數(shù)的相似比例推導(dǎo)

上文經(jīng)推導(dǎo)得到了蒸汽發(fā)生器干燥器聲疲勞比例模型試驗(yàn)聲固耦合相似律，結(jié)合模型與原型電廠的幾何相似，可以確定模型試驗(yàn)所有參數(shù)的相似比例。根據(jù)相似學(xué)第二定理，從上文推導(dǎo)的相似律以及結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)的基本方程出發(fā)，推導(dǎo)模型試驗(yàn)中主要關(guān)心物理量的相似比例。

3.1結(jié)構(gòu)相似

在結(jié)構(gòu)問(wèn)題中，試驗(yàn)所關(guān)心的物理量主要有位移、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量。這些物理量的相似比例可通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性力學(xué)基本方程推導(dǎo)得到?；谛∽冃渭僭O(shè)和材料各向同性假設(shè)，不考慮上文已用來(lái)推導(dǎo)模型相似律的拉梅-納維爾(L-N)方程，運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性力學(xué)基本方程有：

幾何(Cauchy)方程：

本構(gòu)(Lame)方程：其中，a為結(jié)構(gòu)微元加速度；u為結(jié)構(gòu)微元位移矢量；σ為結(jié)構(gòu)微元應(yīng)力張量；ε為結(jié)構(gòu)微元應(yīng)變張量；θ為結(jié)構(gòu)微元第一應(yīng)變不變量(θ=εkk)；I為單位張量；λ、G為結(jié)構(gòu)材料拉梅常數(shù)，λ=E/[(1+υ)(1-2υ)]，G=E/[2(1+υ)]；E為結(jié)構(gòu)材料楊氏模量；υ為結(jié)構(gòu)材料泊松比；上標(biāo)¨代表?2/?t2。

在以上三個(gè)方程及結(jié)構(gòu)相關(guān)模型相似律Ln，π1'和π4'中，有尺寸、時(shí)間、位移、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量、泊松比、密度、重力加速度和頻率11個(gè)基本量，其模型相似比例依次設(shè)為Cl、Ct、Cu、Ca、Cσ、Cε、CE、Cν、Cρ、Cg和Cf。根據(jù)以上三個(gè)方程及結(jié)構(gòu)相關(guān)模型相似律，經(jīng)推導(dǎo)得到各物理量模型相似比例間的關(guān)系為：

考慮到Ct=1/Cf，進(jìn)一步推導(dǎo)可以得到六個(gè)相似關(guān)系，其物理意義為：

(1) Ca/(CuCf2)=1，表征結(jié)構(gòu)微元的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；(2) Cu/(CεCl)=1，表征結(jié)構(gòu)微元的變形協(xié)調(diào)；(3) Cσ/(CECε)=1，表征結(jié)構(gòu)微元的本構(gòu)關(guān)系；(4) CE/(CρCl2Cf2)=1，表征結(jié)構(gòu)微元的內(nèi)力平衡；(5) CV=1，表征結(jié)構(gòu)微元的材料屬性；(6) (CECu)/ (CρCgCl2)=1，表征結(jié)構(gòu)微元的體積力平衡。

3.2聲場(chǎng)相似

在聲場(chǎng)問(wèn)題中，試驗(yàn)所關(guān)心的物理量主要有聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度、密度變化等。這些物理量的相似比例可通過(guò)聲學(xué)基本方程推導(dǎo)得到?；谛≌穹僭O(shè)和無(wú)粘絕熱假設(shè)，不考慮上文已用來(lái)推導(dǎo)模型相似律的聲波動(dòng)方程，聲學(xué)基本方程有：

其中，p為聲介質(zhì)微元聲壓；v為聲介質(zhì)微元質(zhì)點(diǎn)速度；ρ'為聲介質(zhì)微元的密度變化；0ρ為聲介質(zhì)平均密度；c為聲介質(zhì)聲速；上標(biāo)˙代表/t??。

在以上兩個(gè)方程及聲場(chǎng)相關(guān)模型相似律wA中，有尺寸、時(shí)間、聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度、密度變化、聲速、密度和頻率8個(gè)基本量，其模型相似比例依次設(shè)為Cl、Ct、Cp、Cv、Cρ’、Cc、Cρ和Cf。根據(jù)以上兩個(gè)方程及聲場(chǎng)相關(guān)模型相似律，經(jīng)推導(dǎo)得到各物理量模型相似比例之間的關(guān)系為：考慮到Ct=1/Cf，進(jìn)一步推導(dǎo)可以得到三個(gè)相似關(guān)系，其物理意義為：

(1) (CvCρ） /(ClCfCρ’）=1，表征聲介質(zhì)微元的動(dòng)力平衡；(2) Cp/(Cc2Cρ’）=1，該相似關(guān)系表征聲介質(zhì)微元的物態(tài)關(guān)系；(3) Cc/(ClCf）=1，該相似關(guān)系表征聲介質(zhì)微元的變形協(xié)調(diào)。

3.3聲固耦合界面上的相似關(guān)系

在聲固界面上，試驗(yàn)所關(guān)心的物理量主要有結(jié)構(gòu)的位移、加速度以及聲場(chǎng)的聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度等。這些物理量的相似比例可通過(guò)聲固界面基本關(guān)系推導(dǎo)得到。不考慮上文已用來(lái)推導(dǎo)模型相似律的界面平衡條件，聲固界面基本關(guān)系有：

連續(xù)性條件，聲場(chǎng)法向質(zhì)點(diǎn)速度與結(jié)構(gòu)法向速度在界面處連續(xù)：其中，a為結(jié)構(gòu)微元加速度；vn為聲介質(zhì)微元法向質(zhì)點(diǎn)速度；un為結(jié)構(gòu)微元法向位移；上標(biāo)˙和¨分別代表?/?t和?2/?t2。

在以上兩個(gè)方程及聲固界面相關(guān)模型相似律π6中，有結(jié)構(gòu)的尺寸、時(shí)間、位移、加速度、密度、頻率以及聲場(chǎng)的尺寸、聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度8個(gè)基本量，其模型相似比例依次設(shè)為Cls、Cts、Cus、Cas、Cρs、Cfs、Cla、Cpa和Cva。根據(jù)以上兩個(gè)方程及聲固界面相關(guān)模型相似律，經(jīng)推導(dǎo)得到各物理量模型相似比例之間的關(guān)系為：

考慮到Cts=1/Cfs，結(jié)合結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)的相似關(guān)系，進(jìn)一步推導(dǎo)可以得到兩個(gè)相似關(guān)系，其物理意義為：

(1) (CECla)/(CpaCls)=1，該相似關(guān)系表征聲固界面的動(dòng)力平衡；(2) Cva/(CusCfs)=1，該相似關(guān)系表征聲固界面的變形協(xié)調(diào)。.4聲固耦合相似關(guān)系匯總

由表4，結(jié)合模型和原型電廠之間的幾何相似(Cls=Cla=a)、變形相似(Cus=Cls)、材料相同(CE=Cν= Cρs=Cρa(bǔ)= Cc=1)等關(guān)系，從模型和原型電廠間的尺度比例出發(fā)，得到所關(guān)心物理量相似比例列于表5。

表4 相似比例關(guān)系匯總表Table 4 Summary of scaling proportional relations.

表5 各物理量模型試驗(yàn)相似比例匯總表Table 5 Summary of scaling proportion for physical quantities in tests.

根據(jù)表2，重力在原型電廠中作用不大，因此在模型試驗(yàn)中可不考慮重力相似。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的部分電廠蒸汽發(fā)生器干燥器因聲共振而高周疲勞失效，考慮采用比例模型試驗(yàn)的方法研究實(shí)際電廠中蒸汽干燥器在最惡劣工況下的聲疲勞問(wèn)題，從而預(yù)測(cè)蒸汽干燥器的保守聲載荷，最終開(kāi)發(fā)蒸汽干燥器防治聲共振的設(shè)計(jì)和校核方法。比例模型試驗(yàn)方法是一種廣泛采用的、可靠有效的試驗(yàn)方法。根據(jù)相似學(xué)第二定理，為保證在比例模型試驗(yàn)中重現(xiàn)原型中發(fā)生的重要物理現(xiàn)象，比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)滿足一定的相似律。本文從彈性力學(xué)和聲學(xué)的基本控制方程出發(fā)，推導(dǎo)了在蒸汽干燥器聲疲勞問(wèn)題中起重要作用的無(wú)量綱參數(shù)，并根據(jù)這些無(wú)量綱參數(shù)在實(shí)際電廠中的量級(jí)大小做出取舍，得到在比例模型試驗(yàn)中重現(xiàn)實(shí)際電廠重要物理現(xiàn)象的尺度相似律，以此指導(dǎo)模型試驗(yàn)的開(kāi)展，確保模型試驗(yàn)的正確性和可靠性。

根據(jù)尺度相似律，結(jié)合所關(guān)心物理量的情況，推導(dǎo)了所關(guān)心物理量在模型試驗(yàn)和原型電廠中的相似比例關(guān)系，從而使得把模型試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化到實(shí)際電廠條件下成為可能，并為最終開(kāi)發(fā)出干燥器防治聲共振的設(shè)計(jì)和校核方法打下了理論基礎(chǔ)。

致謝本文在研究和撰寫(xiě)過(guò)程中得到了姚偉達(dá)老師的悉心指導(dǎo)，以及朱翊洲和祖洪彪的有力幫助，在此表示衷心感謝！

1 Sommerville D V. Scaling laws for model test based BWR steam dryer fluctuating load definitions[C]. ASME PVP2006, 2006, PVP2006-93703

2 姚偉達(dá), 施國(guó)麟, 姜南燕, 等. 核電廠設(shè)備的流-固耦合動(dòng)力相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)和應(yīng)用[J]. 振動(dòng)與沖擊, 1997, 16(S): 140–145 YAO Weida, SHI Guolin, JIANG Nanyan, et al. Derivation and application for fluid-solid coupling scaling laws of nuclear power plant components[J]. Journal of Vibration and Shock, 1997, 16(S): 140–145

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4 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)[M]. 第2版. 南京:南京大學(xué)出版社, 2001: 165–186 DU Gonghuan, ZHU Zhemin, GONG Xiufen. Foundations of acoustics[M]. 2ndedition. Nanjing: Nanjing University Press, 2001: 165–186

Acoustic-structure coupling scaling laws for model test based steam dryer acoustic fatigue derivations

ZHANG Kai
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: In recent years some reactors have experienced significant steam dryer cracking. In some cases, this cracking has necessitated unplanned outages to implement steam dryer repairs and has also resulted in de-rated operation of the affected units. Initial inspection showed it was likely that steam dryer had been damaged by high cycle fatigue due to flow-induced acoustic resonance in the main steam lines. Because of the complexity and acoustic-structure coupling effect, scale model test is adopted to research the mechanism of acoustic fatigue. Purpose: This paper describes the derivations of scaling laws observed to control the system response for phenomena considered to be significant in the real plants. Methods: Basic governing equations of elasticity and acoustics are written in non-dimensional form, non-dimensional groups are defined and derived. Results: Using the reference values in the real plants, the scaling laws and scaling relationships are derived and recognized to enable conversion of model data into real plant predictions. Conclusions: Successful model testing can be achieved if these significant parameters are preserved in the model scale.

Steam dryer, Acoustic resonance, Scale model, Scaling law, Acoustic-structure coupling

TL35

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040669

張鍇，男，1984年出生，2009年于清華大學(xué)獲碩士學(xué)位，工程師，專業(yè)：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-10-31，

2013-02-27

CLC TL35