Zinātniskās darbības atbalsta sistēma
Latviešu English

Publikācija: Lieljaudas ūdensdzeses sistēmu dinamikas un drošuma izpēte

Publikācijas veids Promocijas darbs
Pamatdarbībai piesaistītais finansējums Valsts budžeta finansējums izglītībai
Aizstāvēšana: 20.12.2019 16:00, Rīgā, Ķīpsalas ielā 6B, 521. telpā
Publikācijas valoda Latviešu (lv)
Nosaukums oriģinālvalodā Lieljaudas ūdensdzeses sistēmu dinamikas un drošuma izpēte
Nosaukums angļu valodā Investigation of Dynamics and Reliability of High-Powered Water Cooling Systems
Pētniecības nozare 2. Inženierzinātnes un tehnoloģijas
Pētniecības apakšnozare 2.3. Mašīnbūve un mehānika
Pētniecības platforma Neviena
Autori Sabīne Upnere
Atslēgas vārdi aproksimācijas modelis, frekvence, metamodelis, plūsmas izraisītas vibrācijas
Anotācija Promocijas darbs ir veltīts plūsmas izraisītu vibrāciju pētījumiem lieljaudas dzesēšanas sistēmās, kas sastāv no daudziem cietiem stieņiem, starp kuriem kā dzesēšanas šķidrums plūst ūdens vai smagais ūdens (deiterija oksīds). Mērķis ir noteikt divu sistēmas parametru – stieņa masas un tā iestiprināšanas stinguma – izmaiņu ietekmi uz dominējošām frekvencēm. Vienkāršības dēļ tiek analizēta modeļa sistēma, kas sastāv no viena elastīgi iestiprināta stieņa nekustīgu stieņu masīvā ar trīsstūrveida izkārtojumu. Kustīgajam stienim ir divas brīvības pakāpes. Abi tā gali var pārvietoties plūsmas virzienā un perpendikulāri tai. Ir veiktas vairākas laboratorijas eksperimentu sērijas, lai padziļināti izpētītu viena kustīgā stieņa masas, pozīcijas masīvā un iestiprināšanas stinguma ietekmi uz svārstību amplitūdu un frekvenci pie dažādiem plūsmas ātrumiem. Eksperimenti tika veikti sadarbībā ar Paula Šērera institūtu (Paul Scherrer Institute) Šveicē. Iegūto datu analīze parādīja, ka stieņa pašfrekvences un turbulences izraisīto frekvenču attiecība ir parametrs, kas ļauj konstatēt izmaiņas iepriekš minētajos ievades parametros netiešā veidā. Skaitliskās hidrodinamikas (Computational Fluid Dynamics, CFD) simulācijas tika veiktas, lai skaitliski pētītu elastīgi iestiprināta stieņa uzvedību šķērsplūsmā. Lai modelētu stieņa kustību, tas tika aprakstīts kā masas un atsperes sistēma. Papildus tam tika analizēts, kā samazināt skaitļošanas laiku un izmaksas. Pētītajiem Reinoldsa skaitļiem tika atrasts optimāls skaitļošanas domēna lielums. Simulācijas pie dažādiem plūsmas ātrumiem ļāva analītiski aprakstīt plūsmas lauka sadalījumu spraugā starp diviem blakus esošiem cilindriem, ieviešot ieejas ātruma robežnosacījumus CFD simulācijām. Elastīgi iestiprinātā stieņa masas un stinguma koeficientu ietekmi uz svārstību frekvencēm novērtēja, papildus lietojot moderno metamodelēšanas pieeju. Izmantojot datus no laboratorijas un skaitliskajiem eksperimentiem, tika radīti jauni otrās kārtas modeļi, kā arī septiņu locekļu ortonormāls Ležandra polinoma aproksimācijas modelis. Inversā analīze, kas tika izmantota eksperimentālajiem datiem, ļāva izstrādāt modeļus, kuros aprakstīta sakarība starp frekvenču attiecību, stingumu un masu. Izveidotie aproksimācijas modeļi ir piemērojami nenoteiktības mazināšanai, dzesēšanas sistēmu uzraudzībai vai to bojājumu agrīnai atklāšanai, kas saistīti ar stieņu masas samazināšanos vai tā iestiprināšanas stinguma izmaiņām sistēmas darbības laikā.
Anotācija angļu valodā The Thesis is dedicated to flow-induced vibration studies in high-powered cooling systems consisting of many rigid rods between which water or heavy water (deuterium oxide) flows as a cooling agent. The goal is to determine the impact on dominant frequencies of the two system parameters – rod mass and its mounting stiffness. Due to simplicity, the investigated model system consists of a single, flexibly mounted rod inserted into an array of rigid rods with a triangular arrangement. The moving rod has two degrees of freedom. Both ends of it may move in the direction of flow and perpendicular to the flow. Several series of laboratory experiments have been performed to study in depth the impact of the single moving rod mass, the position in the array and the support stiffness on the amplitude and frequency of oscillations at different flow rates. The experiments were conducted in collaboration with the Paul Scherrer Institute in Switzerland. An analysis of the obtained data showed that the frequency ratio of vibrations caused by natural frequency and turbulence is a parameter that allows detecting changes in the above-mentioned input parameters in indirect way. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed to study numerically the behaviour of a flexibly mounted rod in the cross-flow. To model the rod movement, it was described as a mass – spring system. In addition, it was analysed how to minimise computing time and costs. The optimal size of the computational domain was found for the given Reynolds numbers. Simulations at different inflow velocities allowed to analytically describe the distribution of the flow field in the gap between two adjacent cylinders introducing inflow boundary conditions for CFD simulations. The impact of the mass and the stiffness coefficient of the flexibly mounted rod on frequencies of the oscillation was assessed using the metamodeling approach. Using data from laboratory and numerical experiments, new second-order and 7-term orthonormal Legendre polynomial approximation models were created. The inverse analysis, which was applied to experimental data, allowed to develop a model describing the relationship between the frequency ratio, the stiffness and the mass. The created approximation models are applicable to the alleviation of uncertainty, monitoring of cooling systems or early detection of damage related to the reduction of the mass of rods or to changes in the stiffness of the supports.
Atsauce Upnere, Sabīne. Lieljaudas ūdensdzeses sistēmu dinamikas un drošuma izpēte. Promocijas darbs. Rīga: [RTU], 2019. 123 lpp.
Kopsavilkums Kopsavilkums
ID 29942