Автореферат (Повышение вибропрочности трубных пучков теплообменных аппаратов при гидроупругом возбуждении колебаний)

На правах рукописиСамолысов Алексей ВитальевичПОВЫШЕНИЕ ВИБРОПРОЧНОСТИТРУБНЫХ ПУЧКОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПРИГИДРОУПРУГОМ ВОЗБУЖДЕНИИ КОЛЕБАНИЙ01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование,эксплуатацию и вывод из эксплуатацииАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква-2016Работа выполнена в Институте машиноведения им. А. А. БлагонравоваРоссийской академии наук.Научный руководительдоктор технических наукКаплунов Савелий МоисеевичОфициальные оппонентыВерещагина Татьяна Николаевна,доктор технических наук, г.н.с.АО «ГНЦ РФ – ФЭИ», г. ОбнинскВолоховский Василий Юрьевич,кандидат технических наук, доцентФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», г. МоскваВедущая организацияФГУП «Крыловский государственныйнаучный центр», г.

Санкт-ПетербургЗащита диссертации состоится « » ____________ 2017 г. в 15 часов назаседании диссертационного совета Д 212.141.03 при Московскомгосударственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу:105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр. 1.Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью организации,просьба направлять по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУим. Н. Э. Баумана и на сайте www.bmstu.ru.Автореферат разослан «» _________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационного совета,доктор технических наукКарпачев А.ЮОбщая характеристика работыАктуальность темы. Проблема обеспечения безопасности водоводяных энергетических реакторов (ВВЭР) в штатных и нештатныхситуациях будет являться жизненно важной в течение самых ближайшихдесятилетий в России из-за исчерпания срока службы большого числа блоковАЭС с ВВЭР, необходимости их полной замены или модернизации ссущественными интеллектуальными и финансовыми затратами.В связи с этим, при проектировании теплообменных аппаратоввозникают задачи определения областей параметров, в которых возможнывызванные потоком теплоносителя интенсивные колебания труб.

С помощьюфизических экспериментов доказано, что возможность проявлениягидроупругого механизма возбуждения труб является недопустимой длярабочих диапазонов энергетического оборудования.Численное моделирование позволяет в значительной мере избежатьдлительных, трудоемких, чрезвычайно дорогих и опасных полнообъемныхфизических исследований существующих агрегатов, особенно таких, какмощные современные стационарные энергетические установки АЭС, ГРЭС,ГЭС, крупномасштабные транспортные средства, а также трубопроводы,высотные сооружения и различные многокомпонентные конструкции.В работе рассматриваются вибрации пучков труб теплообменников,вызванные наличием различных механизмов возбуждения при их обтеканиипоперечным потоком теплоносителя.

Гидродинамические нагрузки,действующие на теплообменные пучки труб, объясняются наличиемнестационарного отрывного течения в межтрубном пространстве, а такжесложными процессами, происходящими в густом пучке с большимколичеством труб.Степень разработанности темы. Математическая интерпретациявибрацийпучковтрубтеплообменников,вызванныхналичиемгидродинамических механизмов возбуждения требует разработки довольнотрудоемких моделей. Наиболее полные математические модели былиполучены С. С. Ченом, Х.

Танакой и М. И. Алямовским на основепроведения дорогостоящих и сложных физических экспериментов.При создании современных математических моделей должныучитываться результаты, накопленные за многие годы исследованийгидродинамически возбуждаемых вибраций различных конструкций в видеэкспериментальных данных и опыта их анализа, представленные в работахизвестных исследователей: С.

И. Девнина, Р. Д. Блевинса, С. С. Чена, С. М.Каплунова, Н. А. Махутова, Л. Я. Банах, К. К. Федяевского, Г. М. Фомина, Л.В. Смирнова, Н. Я. Николаева, В. С. Федотовского, Т. Н. Верещагиной, Д.Уивера, М. Пайдуссиса и других.Несмотря на значительный объем работ, посвященных оценкепараметров вибропрочности, долговечности и безопасности конструкцийпрямотрубных пучков теплообменных аппаратов, следует признать, чтобольшинство исследований было посвящено анализу их динамики на основепроведения сложных и дорогостоящих физических экспериментов.

При этом1использование полученных ранее математических моделей сопровождалосьсущественной по величине погрешностью результатов. Актуальностьпроблемы исследования динамически связанных процессов, проходящих втеплообменном аппарате, и недостаточное качество использованныхматематических моделей гидродинамически возбуждаемых вибрацийтрубных пучков теплообменных аппаратов, послужили основанием дляпроведения автором настоящих исследований в данном направлении.Цель работы: разработка методики повышения вибропрочностипрямотрубных теплообменных аппаратов на основе результатовисследования механизмов возбуждения колебаний трубных пучков иопределения границ потери их устойчивости.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:1.Получение комплекса критериев подобия для гидроупругоговозбуждения колебаний труб.2.Создание математической модели гидроупругого механизмавозбуждения колебаний труб теплообменников.3.Определение нестационарных гидродинамических сил, действующих натрубки в пучках с регулярной компоновкой поперечного сечения путемрасчета сил для фрагмента пучка.4.Построение алгоритма численного определения матриц влияния всистеме «жидкость – труба» с заданными конструктивнымипараметрами.Методы исследования.

В ходе выполнения диссертационногоисследования применялись следующие математические методы: вихревыеметоды: метод дискретных вихрей, метод вязких вихревых доменов; методколлокаций и метод отражения (для решения граничной задачи);преобразование Лапласа; метод Ляпунова для исследования динамическойустойчивости.Научная новизна. В диссертационном исследовании полученыследующие научные результаты:1) на основании проведенного в работе анализа данныхэкспериментальных исследований поведения трубных пучков разработанаматематическая модель гидроупругого механизма возбуждения их колебанийс учетом срывного обтекания;2) на основе разработанной модели возбуждения колебаний трубногопучка предложен обобщенный критерий подобия для гидроупругогомеханизма возбуждения, позволяющий оценить критические параметрырассматриваемой гидроупругой системы;3) определено условие устойчивости для пучков труб, выраженное сиспользованием безразмерных параметров: логарифмический декрементколебаний, безразмерный массовый параметр и собственные числа матрицвлияния (матриц линейной гидродинамической связи) в многокомпонентнойсистеме «жидкость-трубы»;24) предложены аналитические зависимости для определениягидродинамических сил, воздействующих на неподвижные и колеблющиесяпрофили при их срывном обтекании с учетом мгновенных значенийскоростей дискретных вихрей, что позволяет уточнить моделигидродинамических процессов, воспроизводимых в современных вихревыхметодах (упрощение расчетной схемы и сокращение времени счета),характерных для теплообменных пучков.Достоверность результатов.

Проводимые численные эксперименты иполученные результаты сравнивались с данными физических экспериментовотечественных и зарубежных исследователей.Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит вразработке методики решения задач устойчивости упругих трубных пучковпри срывном обтекании потоком на основании результатов исследованиямеханизмов возбуждения колебаний многокомпонентных конструкций.Практическая ценность работы1.Разработаннаяметодикачисленногоопределениягидродинамических нагрузок и возбуждаемых ими колебаний пучков трубпозволила в существенной мере дополнить и частично заменитьдорогостоящие и трудоемкие экспериментальные исследования.2.

Предложен способ определения гидродинамических сил в пучках срегулярной компоновкой их поперечного сечения на основании расчетагидродинамических сил для фрагмента данного трубного пучка, чтопозволило существенно сократить время проведения дальнейших расчетов.3. Разработанный подход к исследованию явления гидроупругоговозбуждения пучков труб и полученные на его основе результаты являютсяважными на стадии проектирования теплообменных пучков для определенияобластей параметров конструкции, при которых невозможна ееэксплуатация. Это позволяет находить рациональные с точки зренияповышения вибропрочности конструктивные решения.4.

Определены значения критической скорости потока теплоносителя,зависящие от безразмерных параметров (логарифмический декрементколебаний,безразмерныймассовыйпараметртрубногопучка,характеристика гидродинамических сил), что позволяет оперативнопроизводить диагностику также для введенного в эксплуатациютеплообменного аппарата на наличие в нем недопустимого гидроупругоговозбуждения колебаний.Реализация работы. Результаты диссертационного исследования былииспользованы на предприятии АО «ОКБМ Африкантов» при доработкепрограммы RANT-1, предназначенной для численного анализа динамики иизносостойкости теплообменных труб в части определения критическихскоростей обтекания теплообменного пучка поперечным потокомтеплоносителя в зависимости от параметров парогенератора реакторнойустановки ТВР-Э с помощью разработанной численно-аналитическойметодики.

Методика определения нестационарных гидродинамических3нагрузок на трубах в пучках с регулярной компоновкой поперечного сеченияпутем расчета сил для фрагмента пучка, математическая модель длякорректного описания гидроупругого механизма возбуждения вибраций трубтеплообменников с учетом их срывного обтекания внедрены в учебныйпроцесс Санкт-Петербургского государственного технического университетапри чтении курса «Гидроаэроупругость» по магистерской программенаправления 15.04.03 «Прикладная механика».Положения, выносимые на защиту.1. Математическая модель, которая описывает гидроупругий механизмвозбуждения вибраций упругих труб теплообменников как развитиенеустойчивости их невозмущенного состояния при срывном обтекании.2. Обобщенный критерий подобия для гидроупругого возбуждениявибраций, позволяющий оценить критические параметры трубных пучковтеплообменных аппаратов.3.

Способ определения нестационарных гидродинамических сил натрубах пучков с регулярной компоновкой поперечного сечения путемрасчета сил для фрагмента трубного пучка, что позволяет существенносократить время расчета.4. Условие устойчивости на основе критерия Ляпунова для фрагментапучка, выраженное через безразмерные параметры системы и оценкусобственных чисел матрицы влияния, построенной для рассматриваемоготрубного пучка.Апробация работы.