【摘要】：當冷流體和熱流體在T型管道發(fā)生熱摻混時,不僅會有熱量傳遞,還可能伴隨質(zhì)量傳遞(如蒸發(fā)或凝結(jié)相變等)與動量傳遞。熱質(zhì)傳遞機理作用,T型管道瞬態(tài)熱摻混過程極易造成流體的溫度波動。當T型管道內(nèi)部近壁面流體的溫度發(fā)生波動時,在對流換熱和熱傳導的共同作用下,T型管道的管壁溫度也將發(fā)生波動,這種溫度波動極易誘發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷,尤其在諸如核電管道安全性和結(jié)構(gòu)完整性要求極高的領(lǐng)域,往往不允許破壞管道壁面來測量管道內(nèi)部流體、管道內(nèi)壁面溫度,因此發(fā)展一種通過外壁面測溫而不破壞管道結(jié)構(gòu)的無損間接溫度評估方法,成為核電熱疲勞分析亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本文針對熱摻混T型管道內(nèi)壁面溫度波動的監(jiān)測,基于導熱反問題,利用管道外壁面測溫,發(fā)展和完善一種無損間接反演瞬時熱摻混T型管道內(nèi)壁面溫度波動的方法,期待該方法能夠為核電管道熱疲勞評估溫度在線監(jiān)測奠定一定的理論基礎(chǔ)。本文以實現(xiàn)對瞬態(tài)熱摻混T型管道內(nèi)壁面溫度波動反演為目標,在導熱反問題數(shù)學模型及數(shù)值校驗、數(shù)值方法、優(yōu)化算法、實驗校驗以及在核電T型管道試驗件內(nèi)壁面溫度波動監(jiān)測中的應(yīng)用等方面開展工作,其主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)導熱反問題的數(shù)學模型構(gòu)建及數(shù)值實驗校驗�；趯岱磫栴}數(shù)學模型及數(shù)值求解,構(gòu)建了管內(nèi)近壁面流體溫度規(guī)律波動和隨機波動下的數(shù)值實驗,對比分析了管道內(nèi)外壁面溫度的反演值與數(shù)值實驗值,對所構(gòu)建的導熱反問題模型及求解方法進行了校驗。校驗結(jié)果表明:導熱反問題數(shù)學模型具有較高的計算精度,在管內(nèi)近壁面流體的最大溫度波動為160℃時,導熱反問題求解的內(nèi)壁面溫度和數(shù)值實驗的內(nèi)壁面溫度基本一致。(2)導熱反問題數(shù)值算法優(yōu)化與熱摻混管道管壁溫度波動反演程序開發(fā)�；跀�(shù)值解對網(wǎng)格和時間步長無關(guān)性要求,詳細闡述了網(wǎng)格無關(guān)性驗證和時間步長無關(guān)性驗證途徑;理論分析了采用非精確的一維搜索時共軛梯度法和變尺度法,可能出現(xiàn)搜索方向不再是下降方向甚至發(fā)散的原因。網(wǎng)格無關(guān)性驗證和時間步長無關(guān)性驗證,保證數(shù)值解的穩(wěn)定性和精度;不同優(yōu)化算法的周期迭代次數(shù)無關(guān)性驗證,又兼顧了反演算法的計算效率。(3)熱摻混管道內(nèi)壁面溫度波動反演結(jié)果實驗校驗。利用飽和蒸汽和過冷水在T型管道內(nèi)發(fā)生直接接觸凝結(jié),從而獲得了常溫常壓工況下較大的管壁溫度波動。通過蒸汽直接接觸凝結(jié)實驗段管壁溫度波動的實驗數(shù)據(jù),對熱摻混管道管壁溫度波動反演數(shù)值結(jié)果進行實驗校驗。實驗工況下的熱摻混管道管壁溫度波動反演結(jié)果,不僅考慮了網(wǎng)格、時間步長和迭代循環(huán)次數(shù)等無關(guān)性驗證,而且通過引入的測量數(shù)據(jù)降噪技術(shù),提高了導熱反問題求解的穩(wěn)定性和收斂性。常物性反演模型下溫度波動的反演值與實驗值,無論是在時域還是在頻域二者趨勢基本吻合,反演的溫度波動幅度的平均相對誤差均不超過14.32%。(4)導熱反問題在核電T型管道試驗件內(nèi)壁面溫度波動監(jiān)測中的應(yīng)用。將綜合考慮測量溫度降噪、網(wǎng)格無關(guān)性驗證、時間步長無關(guān)性驗證、常物性與變物性導熱反問題模型、優(yōu)化算法和計算時效在內(nèi)的導熱反問題數(shù)學模型,應(yīng)用于武漢核動力運行研究所某核電T型管道試驗件內(nèi)壁面溫度波動監(jiān)測中,將試驗件部分外壁面測量溫度、測點位置和物理模型參數(shù)作為反演程序的輸入數(shù)據(jù),其他剩余外壁面數(shù)據(jù)作為反問題校驗數(shù)據(jù),對比分析了反演監(jiān)測程序的計算值與實驗測量值。研究結(jié)果表明:熱摻混管道管壁溫度波動反演監(jiān)測程序,反演結(jié)果兼顧了網(wǎng)格和時間步長無關(guān)性和計算效率;在實驗工況下,常物性和變物性導熱反問題模型二者計算獲得的溫度波動與實驗測量的溫度波動,其趨勢無論是在時域還是在頻域都基本相同,二者計算獲得的溫度波動幅度的相對誤差均不超過15.6%;常物性導熱反問題模型與經(jīng)過優(yōu)化迭代次數(shù)的反演數(shù)值計算具有較高的計算效率與計算穩(wěn)定性。上述研究成果,有望應(yīng)用于核電熱摻混T型管道管壁溫度波動在線溫度反演與監(jiān)測。通過上述研究,探索了基于導熱反問題對熱摻混管道內(nèi)壁面溫度波動反演方法,該方法有望應(yīng)用于核電管道安全性和結(jié)構(gòu)完整性較高的場合,為發(fā)展一種無損間接的溫度技術(shù)手段奠定了一定的理論基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK124
【圖文】：

１．１課題研究背景和意義逡逑在諸如石油、化工、核電等工業(yè)領(lǐng)域，為了完成一定的工藝流程，Ｔ型管道逡逑是不可避免的管道結(jié)構(gòu)形式［１］。在Ｔ型管道（見圖１－１）中，主路管道入口流體逡逑溫度與支路管道入口流體溫度往往具有一定的溫差（即存在冷流體和熱流體）。逡逑當冷流體和熱流體分別在主路管道與支路管道相遇時，會發(fā)生熱摻混現(xiàn)象，不僅逡逑會有熱量傳遞，還伴隨質(zhì)量傳遞與動量傳遞。受熱質(zhì)傳遞的影響，Ｔ型管道熱摻逡逑混瞬態(tài)極易造成流體的溫度波動。當Ｔ型管道內(nèi)部近壁面流體的溫度發(fā)生波動逡逑時，在對流換熱和管壁熱傳導的共同作用下，Ｔ型管道的管壁溫度也將發(fā)生波動。逡逑當Ｔ型管道由于管壁溫度波動引起的變形受到上下游連接的約束時，將造成管壁逡逑固體區(qū)域的熱應(yīng)力發(fā)生波動。一旦熱應(yīng)力波動誘發(fā)的熱疲勞累積超過管道的熱疲逡逑勞極限，就可能在管壁固體區(qū)域產(chǎn)生熱疲勞裂紋。隨著熱疲勞裂紋的擴展，熱摻逡逑混Ｔ型管道有可能發(fā)生熱疲勞斷裂，從而造成嚴重的安全事故。在法國西沃逡逑（ＣＩＶＡＵＸ）核電站的余熱排出系統(tǒng)的Ｔ型管道中曾發(fā)現(xiàn)由于管道管壁溫度波動逡逑造成的熱疲勞裂紋［２，３］。Ｔ型管道廣泛應(yīng)用于石油、化工、核電等工業(yè)領(lǐng)域。因逡逑此

逑大量實驗的基礎(chǔ)上，考慮了不同的主、支路管道入口處流體流速以及不同的主、逡逑支路管道管徑對Ｔ型管道內(nèi)熱摻混現(xiàn)象的影響。從圖１－２中可以看出，對熱摻混逡逑Ｔ型管道熱疲勞狀態(tài)的安全評估一共包含了四個步驟：（１）冷熱流體的溫差是否逡逑超過允許值、（２）熱摻混后的流體溫度波動是否超過允許值、（３）熱應(yīng)力波動的逡逑幅值是否超過允許值和（４）疲勞累積使用因子是否超過１。當滿足其中一個步逡逑驟時，就完成了對熱摻混Ｔ型管道熱疲勞狀態(tài)的安全評估。當四個步驟均不滿足逡逑時，就需要對熱摻混Ｔ型管道的熱疲勞狀態(tài)進行具體的安全評估。此外，還有兩逡逑種情形需要對熱摻混Ｔ型管道的熱疲勞狀態(tài)進行具體的安全評估，分別是（１）逡逑特殊工況參數(shù)和（２）相對精確的評估。雖然ＪＳＭＥ指導準則涵蓋了典型的熱摻逡逑混工況參數(shù)，但是并非所有的熱摻混工況參數(shù)，因此ＪＳＭＥ指導準則在實際的使逡逑用中有一定的局限性。此外，ＪＳＭＥ指導準則的四個步驟的安全評估偏于保守。．逡逑邐邐逡逑Ｄｅｓｉｇｎ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ逡逑Ｆｌｏｗ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ

在導熱反問題數(shù)學模型構(gòu)建及數(shù)值實驗校驗、數(shù)值優(yōu)化及優(yōu)化算法、實逡逑驗校驗及在核電熱摻混Ｔ型管道試驗件內(nèi)壁面溫度監(jiān)測中的應(yīng)用等方面開展相逡逑關(guān)研究工作，其主要研究內(nèi)容如圖１－３所示：逡逑ｒ邐熱摻混管道邐、逡逑（已知外壁面溫度，監(jiān)測管壁逡逑；邐＇卲度波動），邋Ｉ邋，邐＇逡逑＾邐Ｌ．？邋一邐—＾構(gòu)建及校驗逡逑＇開發(fā)熱摻混管道＇邐／ｐＨ逡逑管壁溫度波動邐＾自無關(guān)性驗證一Ｖ：：：．邐＾逡逑的監(jiān)測程序邐Ｕ？（時間步長ｊ逡逑￣￣算法的優(yōu)化ｊ逡逑「Ｊ?＿熱摻混—管ｉｉ—＇邐測點—逡逑管壁溫度波動一觸－逡逑、邐賣驗系統(tǒng)邐ｊ邋Ｉ壚頭驗．．．．．．．ｊ邐驗工況；逡逑管壁溫度波動監(jiān)測程序的邐一邐＿＿逡逑、邐實驗校驗邐＇邐）Ｕ（常導熱系逡逑＾邐熱摻混管道邐—？？、核電熱摻混管道試驗件；逡逑，管壁溫ｋ波動監(jiān)測程序邐－逡逑、邐在核電中的應(yīng)用邐，￣￣？｛常導熱系數(shù)模型與變導熱系數(shù)模型＾逡逑圖１－３主要研究內(nèi)容逡逑Ｆｉｇ．１－３邋Ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｃｏｎｔｅｎｔｓ逡逑９逡逑

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本文編號：2764545