三维流固耦合振动模拟：直管束在流体影响下的动态分析

"直管束流固耦合振动的数值模拟 (2013年)" 本文主要探讨了在核反应堆结构中，特别是涉及到燃料棒、蒸汽发生器和换热器中的传热管束的流体-结构交互作用问题。研究人员采用了一种结合计算流体力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的联合仿真方法，以深入理解流体诱导的振动现象。通过使用有限体积法离散大涡模拟（LES）来解决流体动力学方程，同时运用有限元方法处理结构动力学方程，再结合动网格技术，建立了一个三维的流体诱发振动的数值模型，用于模拟直管束内的流体流动和结构振动。 在研究过程中，首先，作者基于流固耦合方法详细分析了单管的流致振动特性，揭示了动力学响应与流场特性的关系。接着，他们使用建立的传热管束流致振动计算模型，进一步研究了不同排列方式的管束，如两并列管、两串列管以及3×3正方形排列的管束，分析了这些管束在流体作用下的振动行为。 流致振动，也称为流体诱发振动，是由于流体与结构间的相互作用产生的振动现象。在核反应堆中，这种振动可能导致部件疲劳和磨损，对反应堆的安全运行构成威胁。现有的研究大多关注四种流致振动机理：漩涡脱离、紊流抖振、流体弹性扰动和声振荡。然而，这些机理的理论研究和数值模拟往往需要依赖实验数据，且对于复杂的管束系统，单靠CFD或CSD分析不足以准确捕捉所有相互作用。 为了解决这一问题，文章提出了双向流固耦合方法，这种方法能够更好地模拟管束与流体之间的复杂交互，从而提供更精确的分析结果，增强工程应用价值。这种方法的实施为理解和预测核反应堆中流体-结构系统的动态行为提供了重要的工具，有助于预防和减少潜在的安全风险。该研究对核能领域中流固耦合振动问题的理解和解决策略的提升具有重要意义。