Tubes in heat exchanger of fuel rods in reactor core are supported at intemediate point by support p0lates or springs. Current practice is, in case of heat exchanger, to allow clearance between tube and support plate for design and manufacturing consideration. And in case of fuel rod the clearance in support point can be generated due to the support spring force relaxation. Flow-induced vibration of a tube can cause it to impact or rub against support plate or against adjacent tubes and can result in fretting-wear. The tube-to- support dynamic interaction is used to relate experimental wear data from single-span test rigs to real multi-span heat exchanger configurations. The dynamic interaction cna be measured during experimental wear tests. However, the dynamic interaction is difficult to measure in real heat exchangers and, therefore, analytical techniques are required to estimate this interaction. This paper describels the nonlinear impact model of DAGS(Dynamic Analysis of Gapped Structure) code which simulates the tube response to external sinusodial or step excitation and predicts tube motion and tube-to-support dynamic interaction. Three experimental measurements-two single span rods excited by sinusodial force and a two span rod impacted by a steel ball are compared from the simulation nonlinear model of DAGS code. The simulation results from DAGS code are in good agreement with measurements. Therefore, the developed model of DAGS code is good analytical tool for estimating tube-to-support dynamic interaction in real heat exchangers.
본 연구에서는 상하운동 또는 좌우흔들림운동하에서의 튜브진동에 대한 실험 을 통하여 튜브지지대 인자의 영향을 고찰하고자 하였다.실험은 양단이 고정된 튜 브의 중앙에 지지대가 있는 두마디 튜브의 실험장치에서 수행되었다. 실험시 고찰된 인자들은 튜브편심율, 튜브지지대 두께, 튜브와 튜브지지대간의 간격, 튜브지지대의 위치, 튜브주파수, 선형도, 그리고 튜브거동 형태(nature of the dynamic interaction )등이다.
Flow-induced vibration in heat exchanger (or fuel rod) in nuclar power plant can cause dynamic interactions between tubes and tube supports resulting in fretting-wear. To increase the reliability and design life of heat exchanger components, design criteria that establish acceptable limits of vibration and minimize fretting wear are necessary. The fretting-wear rate is dependent upon material combination, contact configuration, environmental conditions and tube-to tube support dynamic interaction. It is demostrated that the fretting -wear rate correlates well with tube-to-support contact force or work rate. The tube-to-support dynamic interaction, which consists of dynamic contact forces and tube motion, is used to relate single-span wear data to real heat exchanger configurations consisting of multi-span tube bundles. This paper describes the test facility to measure tube-to-support dynamic impact force and reports its dynamic characteristics through the four impact tests - a force transduces independent and external impact tests, central ring inside impact test and additional cylinder impact test. Through the tests the impact parameter change dependent upon the material difference of impacting ball is studied, and the impact parameters of Force Transducer Assembly components are measured. And also the dynamic behavior of Force Transducer Assembly is analyzed. The force measurement technique herein is shown to provide a reasonable measure of dynamic contact forces.
The structural integrity of tube bundles represents a major concern when dealing with high risk industries, such as nuclear steam generators, where the rupture of a tube or tubes will lead to the undesired mixing of the primary and secondary fluids. Flow-induced vibration is one of the major concerns that could compromise the structural integrity. The vibration is caused by fluid flow excitation. While there are several excitation mechanisms that could contribute to these vibrations, fluidelastic instability is generally regarded as the most severe. When this mechanism prevails, it could cause serious damage to tube arrays in a very short period of time. The tubes are therefore stiffened by means of supports to avoid these vibrations. To accommodate the thermal expansion of the tube, as well as to facilitate the installation of these tube bundles, clearances are allowed between the tubes and their supports. Progressive tube wear and chemical cleaning gradually increases the clearances between the tubes and their supports, which can lead to more frequent and severe tube/support impact and rubbing. These increased impacts can lead to tube damage due to fatigue and/or wear at the support locations. This paper presents simulations of a loosely supported multi-span U-bend tube subjected to turbulence and fluidelastic instability forces. The mathematical model for the loosely-supported tubes and the fluidelastic instability model is presented. The model is then utilized to simulate the nonlinear response of a U-bend tube with flat bar supports subjected to cross-flow. The effect of the support clearance as well as the support offset are investigated. Special attention is given to the tube/support interaction parameters that affect wear, such as impact and normal work rate.
The multi-frequency eddy current technique has been used for evaluation of various type of defects in tubings. However, this technique is not sufficient to detect and evaluate the defect in tubings if the defect is located in the geometrically complicated area(e. g. tube support plate, anti-vibration bar, tubesheet area) and mixing residue signal is significant to the defect signal. In order to improve the reliability of the multi-frequency eddy current technique, the effect of the interaction of mixing residue after frequency mixing with a function of distances between the defect and the tube support plate boundary has been analyzed theoretically. The experimental results have been discussed with the theoretical developments. The calculation shows the interaction between the two neighboring signal sources could be significant within the range of approximately 1.0mm with the experimental condition.
A modified energy method for the fretting wear of the steam generator tube is proposed to calculate the wear-out depth between the nuclear steam generator tube and its support. Estimation of fretting-wear damage typically requires a non-linear dynamic analysis with the information of the gap velocity and the flow density around the tube. This analysis is very complex and time consuming. The basic concept of the energy method is that the volume wear rate due to the fretting-wear phenomena Is related to work rate which is time rate of the product of normal contact force and sliding distance. The wearing motion is due to dynamic interaction between vibrating tube and its support structure, such as tube support plate and anti-vibration bar. It can be assumed that the absorbed work rate would come from turbulent flow energy around the vibrating tube. This study also numerically obtains the wear-out depth with various wear topologies. A new dissection method is applied to the multi-span tubes to represent the vibrational mode. It turns out that both the secondary side density and the normal gap velocity are important parameters for the fretting-wear phenomena of the steam generator tube.
This paper addresses the dynamic loading characteristics of the shock tube onto sandwich steel beams as an efficient and accurate alternative to time consuming and complicated fluid structure interaction using finite element modeling. The corrugated sandwich steel beam consists of top and bottom flat substrates of steel 1018 and corrugated cores of steel 1008. The corrugated core layers are arranged with non-uniform thicknesses thus making sandwich beam graded. This sandwich beam is analogous to a steel beam with web and flanges. Substrates correspond to flanges and cores to web. The stress-strain relations of steel 1018 at high strain rates are measured using the split-Hopkinson pressure. Both carbon steels are assumed to follow bilinear strain hardening and strain rate-dependence. The present finite element modeling procedure with an improved dynamic impulse loading assumption is validated with a set of shock tube experiments, and it provides excellent correlation based on Russell error estimation with the test results. Four corrugated graded steel core arrangements are taken into account for core design parameters in order to maximize mitigation of blast load effects onto the structure. In addition, numerical study of four corrugated steel core placed in a reverse order is done using the validated finite element model. The dynamic behavior of the reversed steel core arrangement is compared with the normal core arrangement for deflections, contact force between support and specimen and plastic energy absorption.
2 상 유동장에 놓인 열 교환기 튜브에 작용하는 점성 감쇠비와 압착막 감쇠비를 예측하기 위한 해석 모델이 개발되었다. 열 교환기 튜브에 작용하는 유동유발진동을 해석하기 위하여 감쇠에 대한 정보가 요구된다. 열 교환기 튜브에서 가장 중요한 에너지 소산 기구는 튜브와 지지물과 같은 구조물과 액체 사이의 동적 작용에 연계되어 있다. 본 모델은 1997 년 발표된 근사모델에 근거하고 부가질량계수를 고려하여 개발되었다. 어림적 해석모델은 동심환 내에서 진동하는 내부 실린더에 작용하는 수력학적 힘을 계산하기 위하여 개발되었다. 점성력을 포함한 수동력은 높고 혹은 낮은 진동 레이놀드 수에 따라 개발된 두 가지 모델을 사용하여 각각 계산할 수 있다. 관군과 지지대에서의 상당 직경과 침투깊이는 관군에 작용하는 점성 감쇠력과 지지대에서의 압착막 감쇠력을 각각 계산하는데 매우 중요한 변수이다. 2 상 유동의 기공률을 계산하기 위하여 균질모델이 사용되었다. 본 모델을 검증하기 위하여, 모델의 해석결과는 기존의 이론으로 구한 결과와 비교하였다. 본 모델을 사용하여 점성 감쇠비와 압착막 감쇠비를 어림적으로 구할 수 있음을 보였다.
The tubes in a heat exchanger, such as a steam generator (SG), are subjected to crossflow, and interaction between tubes and supports can happen, which can cause fretting wear of tubes. Although many experiments and models have been established, some detailed mechanisms are still not sufficiently clear. In this work, more attention is paid to obtain the regulation of impact and sliding in the complex process and many factors, such as excitation forces and clearances. The responses and contact forces were analyzed to obtain clear understanding of the influences of these factors. Room temperature tests in the air were established. The results show that the effect of clearance on the normal work rate is not monotonous and instead has two peaks. The force ratio can influence the normal work rate by changing the distribution of contact angles, which can result in higher sliding in the contact process. Fretting wear tests are conducted, and the wear surfaces are analyzed by a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometer (EDX). The results of this work can serve as a reference for impactsliding contact analysis between AVBs and tubes in steam generators.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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