【摘要】：穩(wěn)壓器波動(dòng)管是連接穩(wěn)壓器與反應(yīng)堆主回路的一段管路,在核電站安全運(yùn)行中起到不可或缺的重要作用。由于結(jié)構(gòu)和功能的特殊性,波動(dòng)管管內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱狀態(tài)復(fù)雜多變,極易誘發(fā)管道熱變形與熱疲勞。本研究探索了一套從流動(dòng)傳熱誘因到管道失效表現(xiàn)評(píng)估的全耦合鏈接求解途徑,對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管的流動(dòng)與傳熱、耦合熱應(yīng)力與變形以及管道熱疲勞問(wèn)題開展理論分析與機(jī)理揭示,研究課題具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文首先確立波動(dòng)管管路的熱工水力相似模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算的對(duì)比,驗(yàn)證包含流動(dòng)傳熱CFD方法、熱應(yīng)力應(yīng)變耦合CFD-FEM方法和熱疲勞評(píng)估方法等波動(dòng)管相關(guān)研究方法的有效性和準(zhǔn)確性。進(jìn)而分析和探討了熱分層、湍流穿透、湍流穿透誘發(fā)的溫度波動(dòng)等波動(dòng)管典型流動(dòng)傳熱現(xiàn)象的形成機(jī)理和影響因素,以及管道熱變形、熱應(yīng)力波動(dòng)、熱疲勞等結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的誘發(fā)機(jī)制與調(diào)控手段。最后,通過(guò)對(duì)多工況下某豎直波動(dòng)管的熱-流-固耦合分析,探究管道溫度波動(dòng)與管道熱疲勞累積損傷之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),構(gòu)建基于溫度波動(dòng)特征監(jiān)測(cè)的熱疲勞定量評(píng)估方法及技術(shù)路徑。本研究的主要工作及結(jié)論如下:(1)建立用于分析復(fù)雜流動(dòng)與傳熱誘發(fā)核電管道熱變形與熱疲勞問(wèn)題的全耦合鏈接求解途徑,密切流動(dòng)傳熱研究、有限元結(jié)構(gòu)分析及熱疲勞損傷率評(píng)估之間的學(xué)科聯(lián)系。自行編制的數(shù)據(jù)批處理指令程序與熱疲勞損傷及壽命評(píng)估程序可以將核電管路的CFD分析、耦合CFD-FEM分析及熱疲勞定量評(píng)估等分析環(huán)節(jié)有機(jī)串聯(lián),構(gòu)成縝密的分析求解途徑,以解決實(shí)際工程中各自獨(dú)立的管道熱-流-固耦合分析與評(píng)估問(wèn)題。(2)進(jìn)一步揭示波動(dòng)管管路多種流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的本質(zhì)機(jī)理,建立管路流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象特征與管道結(jié)構(gòu)、管路工況等之間的定量表達(dá),為波動(dòng)管管路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱工水力評(píng)估及調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。本研究對(duì)影響波動(dòng)管路熱分層和湍流穿透現(xiàn)象的冷熱流體溫差、管內(nèi)流體流速、主支管質(zhì)量流量比、管道直徑、管道布置方式等因素的作用機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過(guò)理論分析和數(shù)據(jù)處理,擬合了最大無(wú)量綱截面頂?shù)诇夭�、熱分層區(qū)域無(wú)量綱長(zhǎng)度、無(wú)量綱湍流穿透距離等參數(shù)的關(guān)聯(lián)式。此外,對(duì)于湍流穿透誘發(fā)的管道溫度波動(dòng),研究發(fā)現(xiàn)無(wú)量綱平均溫度為0.5的位置管道熱波動(dòng)最為劇烈,通過(guò)PSD分析確定溫度波動(dòng)的最大有效頻率與主管道入口流速呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。(3)確立波動(dòng)管管道熱變形對(duì)于不同管道溫度場(chǎng)、波入與波出工況及管道布置方式的響應(yīng)機(jī)制,完善管線熱位移與截面熱變形的判別依據(jù),分析不同管道結(jié)構(gòu)、布置方式對(duì)波動(dòng)管柔性性能的影響,為波動(dòng)管管道的柔性設(shè)計(jì)及管道支撐設(shè)計(jì)與修復(fù)提供參考依據(jù)。本研究使用管線空間位移量表征波動(dòng)管管線熱位移,使用截面直徑位移量表征波動(dòng)管截面熱變形。通過(guò)耦合CFD-FEM分析發(fā)現(xiàn),波動(dòng)管管道熱變形的大小和方向主要由管道熱分層程度和分布形式?jīng)Q定,軸向位置越遠(yuǎn)離管道約束的截面熱變形位移量越大;通過(guò)波入與波出工況下的管道熱變形對(duì)比,發(fā)現(xiàn)相同冷熱溫差與管內(nèi)流速的情況下,波入工況管道最大熱變形量大于波出工況,但熱變形持續(xù)時(shí)間更短,通過(guò)對(duì)比不同管道布置方式下的波動(dòng)管管道熱變形,發(fā)現(xiàn)水平管段向下傾斜可以明顯減小管道最大熱變形量,說(shuō)明銳角彎頭可以有效提高波動(dòng)管管道的柔性性能。(4)揭示管道溫度波動(dòng)與熱應(yīng)力波動(dòng)、熱疲勞損傷之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),建立基于溫度波動(dòng)特征監(jiān)測(cè)的管道熱疲勞損傷定量評(píng)估方法,為核電管路熱疲勞的在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估提供應(yīng)用理論支撐。綜合上述波動(dòng)管管道流動(dòng)傳熱、耦合熱應(yīng)力應(yīng)變研究發(fā)現(xiàn):無(wú)量綱平均溫度與平均熱應(yīng)力之間近似呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系;無(wú)量綱均方根溫度與最大均方根熱應(yīng)力之間近似呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)波動(dòng)管管道的疲勞損傷評(píng)估,發(fā)現(xiàn)管道累積疲勞損傷率是累積熱疲勞損傷率和結(jié)構(gòu)疲勞損傷率的疊加作用。最后,通過(guò)綜合理論分析結(jié)論與結(jié)果,擬合了不同溫差下奧氏體不銹鋼管道的無(wú)量綱累積熱疲勞損傷率與無(wú)量綱平均溫度、無(wú)量綱均方根溫度、主回路流體流速等的曲面關(guān)系函數(shù),建立了管道溫度波動(dòng)與熱疲勞累積損傷之間的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文通過(guò)穩(wěn)壓器波動(dòng)管路的流動(dòng)與傳熱及熱-力耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形與疲勞研究,豐富和完善了波動(dòng)管管道設(shè)計(jì)與狀態(tài)評(píng)估的理論和方法,可為核電站管路系統(tǒng)完整性設(shè)計(jì)及安全評(píng)估提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)指導(dǎo)。
【圖文】：

Ｆｉｇ．１－２邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ邋ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｃｃｕｒｒｅｄ邋ｉｎ逡逑ｔｈｅ邋ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｒ邋ｓｕｒｇｅ邋ｌｉｎｅ逡逑圖１－２為核電站穩(wěn)壓器波動(dòng)管管路內(nèi)的熱分層現(xiàn)象與湍流穿透現(xiàn)象示意圖。逡逑圖１－２邋（ａ）中，由于穩(wěn)壓器內(nèi)流體溫度較高，而主回路內(nèi)的流體溫度較低，，當(dāng)兩股逡逑流體在穩(wěn)壓器波動(dòng)管內(nèi)發(fā)生摻混時(shí)，會(huì)在流速緩慢的波動(dòng)管水平段（或傾斜段）逡逑形成熱分層現(xiàn)象。波動(dòng)管內(nèi)摻混的冷熱流體溫差常常為幾十度到近百度，這就使逡逑得波動(dòng)管管道熱分層極為劇烈。嚴(yán)重時(shí)，熱分層有可能誘發(fā)波動(dòng)管管線產(chǎn)生超出逡逑設(shè)計(jì)預(yù)期的熱變形，對(duì)管線支撐或者其他設(shè)備造成擠拉或者破壞。同時(shí)，波動(dòng)管逡逑內(nèi)交替出現(xiàn)的“波入”和“波出”工況，也可能造成管道溫度和熱應(yīng)力的交替性和周逡逑期性，進(jìn)而導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)的熱疲勞。圖１－２邋（ｂ）為穩(wěn)壓器波動(dòng)管內(nèi)湍流穿透現(xiàn)象示逡逑意圖

熱工水力特征相似的水平布置Ｔ型管路進(jìn)行研宄方法的探索和理論分析模型的邐＿逡逑驗(yàn)證。如圖１－３所示，水平布置Ｔ型管路的研究包含實(shí)驗(yàn)研究和理論研宄兩部分，逡逑理論研宄又包含流動(dòng)傳熱研宄、耦合熱應(yīng)力應(yīng)變研宄和熱疲勞評(píng)估，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研逡逑宄和理論研宄的對(duì)比，可以驗(yàn)證流動(dòng)傳熱研究ＣＦＤ方法、熱應(yīng)力應(yīng)變耦合逡逑ＣＦＤ－ＦＥＭ方法和熱疲勞評(píng)估方法的有效性和精度。水平布置Ｔ型管路的研究可逡逑為穩(wěn)壓器波動(dòng)管的研究提供方法論支持。逡逑（２）
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM623

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本文編號(hào)：2608815