核电厂众多系统和设备内存在流体。流体流动或地震激励引起流体与结构相互作用下的振动问题十分突出,若用分析方法求解流致振动或地震反应往往存在两个难点:一是结构可能相对复杂,很难建立完整的“流-固耦合”计算模型;二是流体对结构物上作用的“力函数”难以用理论方法来求解,特别是对于首次设计的“原型堆”(或其他行业中的新型设施),在设计阶段需要采用一定比例的模型进行模拟试验来解决其中的振动问题。例如,反应堆内部构件的流致振动、堆内构件及其他设备的地震试验、贮罐和水池的晃动等问题。这些模型试验要求有一个满足流-固耦合条件下的相似准则,并按这些相似关系来进行模型设计及其相关试验参数的换算。
从流体动力学与固体动力学的基本方程,以及流体与固体相交面上的动力平衡条件等三方面分别导出流体、固体及流-固耦合的相似关系,从而得到流-固耦合动力相似准则。根据流体运动和流-固耦合的特点,流体动力学基本方程可以分解为两部分:①在不可压缩流动状态条件下的运动方程;②在可压缩流动(或不流动)状态条件下的质点波动方程(类似于固体质点的波动方程)。其中第①部分主要是表征流体流动所产生的运动,可以求解作用在固体上的力(或压力),如在地震作用下液体晃动对水池或储罐的压力、流体流动在固体结构边界层上产生的漩涡脱落或湍流脉动压力。而第②部分主要是表征在流-固交界面上形成脉动压力与脉动速度相互作用的流-固耦合状态,例如梁、板、壳与流体之间的动力相互作用后引起了流体叠加在固体上的“附加质量”以及“附加惯性力”。(www.daowen.com)
从流体与固体运动方程出发所获得的相似关系甚多,在一个模型试验中不可能满足所有的相似关系,但可以针对不同的特定物理现象,抓住主要特征的相似关系,忽略次要因素的相似关系。例如在流-固耦合为主的流致振动试验中,除以斯特劳哈尔数St为主的相似准则必须满足外,其雷诺数Re与弗劳德数Fr可给予放宽。当流体以晃动为主的试验中,以弗劳德数Fr为主的相似准则必须满足。当然也存在既有流体晃动又有流-固耦合的试验,应尽量找到合适的试验条件加以满足。所以在模型试验以前必须对所有的相似准则仔细推敲,找出合适的方法并给出主要参数,从模型正确推算到实物的相似关系。
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