加速器驱动的次临界系统(ADS)是最有前景的嬗变技术之一。在ADS中利用铅铋共晶合金(LBE)作为散裂靶兼冷却剂。铅铋流体的湍流抖振极易造成换热器管子的磨损或破裂。据国外有关报告,约40%核电站存在传热管破损事故。对于铅鉍回路,国际上进行实验研究的国家还不多。但由于铅铋流体密度较大,如果产生流固耦合危害,将造成传热管道的波动、破损、泄漏,严重影响整个循环回路的安全性。因此对铅铋流体的湍流抖振现象进行研究和计算,对于铅铋回路换热器的设计和整个反应堆的安全性是十分必要的。对铅铋流体介质下流固耦合特性研究可以分为三个方面,分别是:漩涡脱落、湍流抖振、弹性激振。以瑞典TALL回路、本团队自主设计的铅铋自然循环回路为研究对象,对三种振动形式进行了计算与分析。漩涡脱落方面随着管道直径越大,漩涡脱落频率越小,与管子的固有频率相差越远,发生流致振动现象的概率越小,对管道可能造成损害的机率也小。来流速度越大,漩涡脱落频率越大,与管子的固有频率越相近,发生流致振动现象的概率越大。斯特罗哈数越大,漩涡脱落频率越大,与管子的固有频率越相近,发生流致振动现象的概率越大。湍流抖振方面:管道结构与铅铋流速一定时,换热管的跨数越大,管道的抖振系数越大,越不容易发生湍流抖振现象。铅铋流体的流速越大,越容易发生湍流抖振现象。随着纵向热管中心距的增大,抖振系数先减小后增大,抖振系数处于曲线(如图5-5)的底端时湍流抖振现象最强烈。横向热管中心距越大,湍流抖振现象越不明显。弹性激振方面:当铅铋流体的速度接近临界流速时,会发生弹性激振现象。因为铅铋流体设计最高流速为3m/s,距离发生弹性激振的临界流速较远,所以不会出现弹性激振的情况。利用析因分析的方法,对铅铋流固耦合研究中最可能出现的铅铋漩涡脱落现象进行了析因分析,研究结果表明:对漩涡脱落频率的影响因素中,来流速度所占的百分比贡献率最大,为40.74%;其次是斯特罗哈数的影响,占到26.70%;再次为管道直径,百分比贡献率为10.9%;两因素交互作用共占百分比贡献率的20.67%,三种因素的交互作用所占百分比贡献率仅0.99%,可以忽略不计。提出了铅铋流固耦合机理:当铅铋流体速度较低时,诱发振动的主要原因是漩涡脱落现象;当雷诺数大于300的时候,涡流尾部出现湍流涡街,湍流振动开始影响管道振幅;当速度达到vr的时候,漩涡脱落频率与管道固有频率达到一致,这时发生共振现象,管道振幅达到最大,漩涡脱落现象对管道振幅的影响达到最大。随着速度的增大,漩涡脱落现象对管道振幅的影减小,湍流抖振变成影响管道振幅的最主要因素。当流速达到临界流速vc,流体弹性失稳,管道剧烈振动,振幅直线上升。因为铅铋密度几乎为水的10十倍,因此振动的能量更高,振幅更大。最后,对铅铋自然循环回路实验台架进行了设计,并对铅铋流固耦合实验的实验步骤进行了说明。