本发明涉及反应堆流致振动分析，具体涉及一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法。
背景技术：
1、气冷反应堆是以氦气等气体作为冷却剂的一类反应堆。气冷堆堆芯设计紧凑，氦气由于其可压缩性和高流速等特点，在流道内搅混较为明显，流动过程会造成燃料棒表面压力的剧烈波动，导致燃料棒振动的产生。并且燃料组件长期处于高辐照、高服役温度的严苛条件，气体冷却剂动态冲击下棒束振动造成疲劳损伤的同时，导致氧化层磨蚀剥落从而加剧腐蚀，长换料周期需求凸显了上述问题，验证影响气冷反应堆的设计与安全可靠运行。因此评估气冷堆冷却剂高速冲击下稠密燃料棒束的响应机制显得尤为重要。冷却剂冲刷下燃料组件的稳定性和完整性研究也是气冷堆的重要技术瓶颈，其可靠性是决定气冷堆设计与安全特性的关键因素之一。
2、压水堆中定位格架与燃料棒之间的振动磨损占压水堆燃料破损泄漏比例高达55％。气冷堆燃料组件有一部分是采用金属螺旋绕丝定位维持棒束径向间隙以紧凑堆芯并提高换热效率，氦气等其他在流动过程中由于其可压缩性且流速较快，堆芯稠密布置燃料棒束中存在类似振动失效现象。随着燃耗加深，芯块肿胀和包壳热膨胀使绕丝与相邻燃料棒间隙缩小甚至发生接触，高流速冷却剂冲刷燃料棒束产生显著附加作用力而诱发振动；定位绕丝扰动边界层造成强烈湍流搅混，燃料组件流场轴向以及周向各向异性更显著，从而加剧了振动。高频率高幅度振动响应导致燃料元件疲劳损伤，加速燃料元件包壳的腐蚀破损。
3、由于气体冷却反应堆是反应堆领域的新型堆型之一，各国对其研究还尚处探索阶段，对于气冷堆中绕丝定位燃料棒的流致振动的研究较少。考虑到流致振动问题的复杂性，反应堆堆芯中的流致振动主要是以数值模拟方法为主，分析方法主要集中在单根绕丝燃料棒的流体域与固体域的单向流固耦合，对于多根燃料棒形成的绕丝定位组件的分析还很缺乏。
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气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，该方法针对气冷反应堆绕丝定位燃料棒的特点，通过构建气冷堆绕丝定位燃料棒运行环境和设置氦气工质物性，开展瞬态热工水力计算，再将计算获得的流体激振力加载到燃料棒表面，通过有限元方法开展振动响应计算，并在时域和频域两方面分析流体激振力的波动和燃料棒的振动位移响应。
2、为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案予以实施：
3、一种气冷堆绕丝定位燃料棒流致振动的分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
4、一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，包括以下步骤：
5、步骤1：绕丝棒束组件几何模型建模：根据绕丝定位方式的燃料棒组件进行建模，包括流体域和固体域两个部分，获得带绕丝棒束组件流动通道三维几何，以及绕丝棒束组件结构三维几何；
6、步骤2：对带绕丝棒束组件流动通道三维几何进行网格划分以满足后续的大涡模拟模型即les模型的要求，具体步骤如下：
7、步骤2-1：采用多面体与棱柱层混合网格的方法初步划分流体域网格，以满足壁面y+小于1的要求；
8、步骤2-2：划分不同尺寸的网格，并用rans模型在相同的边界条件下进行模拟计算进行网格无关性分析，确定满足计算的最小网格数；
9、步骤2-3：使用rans模型的计算结果估算满足les模型的网格尺寸，具体公式如下：
10、δ＝max(λ,l/10) (1)
11、式中，δ——基础网格尺寸/m，，λ——泰勒围观尺度/m，l——湍流能量长度尺度/m；计算表达式分别为：
12、
13、
14、式中，k——湍动能/m2·s-2,ν——运动粘度/m2·s-1,ε——能量耗散速率；
15、步骤2-4：按照估算的网格尺寸重新划分流体域网格；
16、步骤3：对固体域即绕丝棒束组件结构三维几何进行网格划分，并进行网格无关性分析；
17、步骤4：绕丝棒束组件流动通道cfd计算：采用计算流体动力学方法进行流体域计算，获得瞬态计算时长内每个时间步的压力场以及速度场，具体分为以下步骤：
18、步骤4-1：输入燃料棒束通道入口的初始速度和初始压力作为稳态计算初始值，并采用rans模型作为稳态计算的湍流模型；
19、步骤4-2：调用氦气物性参数表，按照气冷堆堆芯正常工况下的温度选择氦气的密度、比热容、导热率和粘度，进行稳态计算，直至稳态计算达到收敛，获得燃料棒束通道稳态压力场和速度场，作为瞬态计算的初始值；
20、步骤4-3：流体域瞬态计算时的湍流模型采用les模型，过滤方式采取盒式过滤，亚格子应力模型选择wale亚格子应力模型，进行瞬态计算，直至流体瞬态计算残差达到0.001的收敛条件，计算获得流体随时间变化的压力场；
21、步骤5：流固耦合交界面压力和剪切应力分布分析：将每个时间步的流体激振力的值通过周期图法进行频域分析，获得流体激振力的功率谱密度函数的结果，并且输出每个时刻燃料棒表面每个轴向位置的压力以及剪切力的值，分析压力和剪切力对绕丝定位燃料棒的影响；
22、步骤6：绕丝棒束组件流致振动时域分析：将流体域计算获得的流体随时间变化的压力场加载到流固耦合交界面上，并将燃料组件轴向两端固定，进行固体域计算，分别选取棒束的中间位置燃料棒以及周围其中一根燃料棒进行分析计算，直至每个时间步的有限元计算达到收敛，获得每个时间步的不同位置的燃料棒表面不同点的振动位移；
23、步骤7：绕丝棒束组件流致振动频域分析：将每个时间步的不同位置的燃料棒表面不同点的振动位移通过周期图法进行频域分析，获得振动位移的功率谱密度函数的结果；
24、步骤8：绕丝棒束组件固有频率分析：通过预应力模态分析，获得绕丝棒束组件各阶固有频率；并将步骤7的频域分析结果与固有频率结果相比较，分析不同位置燃料棒的振动与固有频率的关系。
25、和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
26、1、本发明的分析方法能够对绕丝燃料棒束组件的流致振动进行分析，为组件中燃料棒之间的振动磨损计算提供了基础；
27、2、本发明流体域计算采用的是大涡模拟模型，能够更好地捕捉到湍流脉动特性，对于流体激振力的模拟更加精准；
28、3、本发明的分析方法通过对振动位移响应进行时域和频域两方面的分析，可以获得任意位置的燃料棒以及燃料棒上不同轴向高度的振动响应，增加了该方法的通用性。
1.一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，其特征在于：步骤1中，所获得的带绕丝棒束组件流动通道三维几何为包含绕丝几何特征的完整三维几何模型。
3.如权利要求1所述的一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，其特征在于：步骤2中，流体域采用六面体和棱柱层混合网格的方法进行网格划分，并且需要采用rans模型进行预计算，确定满足les模型计算的网格尺寸。
4.如权利要求1所述的一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，其特征在于：步骤2中，由于流体是氦气，流体域计算选择基于密度的隐式求解器，并监测质量流量，判断计算是否达到收敛。
5.如权利要求1所述的一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，其特征在于：步骤3中，对固体域网格划分采用四面体网格进行划分，以满足固体计算要求。
6.如权利要求1所述的一种气冷堆带绕丝燃料棒流致振动的分析方法，其特征在于：步骤6中，固体域计算的时间步长要与流体域的流体动力学计算输出保存的时间步长相同，保证每个时间步加载一次流体激振力。
