基于导热反问题的热掺混管道内壁面温度波动的反演

发布时间：2020-07-21 14:33

【摘要】：当冷流体和热流体在T型管道发生热掺混时,不仅会有热量传递,还可能伴随质量传递(如蒸发或凝结相变等)与动量传递。热质传递机理作用,T型管道瞬态热掺混过程极易造成流体的温度波动。当T型管道内部近壁面流体的温度发生波动时,在对流换热和热传导的共同作用下,T型管道的管壁温度也将发生波动,这种温度波动极易诱发结构疲劳累积损伤,尤其在诸如核电管道安全性和结构完整性要求极高的领域,往往不允许破坏管道壁面来测量管道内部流体、管道内壁面温度,因此发展一种通过外壁面测温而不破坏管道结构的无损间接温度评估方法,成为核电热疲劳分析亟待解决的关键问题之一。本文针对热掺混T型管道内壁面温度波动的监测,基于导热反问题,利用管道外壁面测温,发展和完善一种无损间接反演瞬时热掺混T型管道内壁面温度波动的方法,期待该方法能够为核电管道热疲劳评估温度在线监测奠定一定的理论基础。本文以实现对瞬态热掺混T型管道内壁面温度波动反演为目标,在导热反问题数学模型及数值校验、数值方法、优化算法、实验校验以及在核电T型管道试验件内壁面温度波动监测中的应用等方面开展工作,其主要研究内容和结论如下:(1)导热反问题的数学模型构建及数值实验校验。基于导热反问题数学模型及数值求解,构建了管内近壁面流体温度规律波动和随机波动下的数值实验,对比分析了管道内外壁面温度的反演值与数值实验值,对所构建的导热反问题模型及求解方法进行了校验。校验结果表明:导热反问题数学模型具有较高的计算精度,在管内近壁面流体的最大温度波动为160℃时,导热反问题求解的内壁面温度和数值实验的内壁面温度基本一致。(2)导热反问题数值算法优化与热掺混管道管壁温度波动反演程序开发。基于数值解对网格和时间步长无关性要求,详细阐述了网格无关性验证和时间步长无关性验证途径;理论分析了采用非精确的一维搜索时共轭梯度法和变尺度法,可能出现搜索方向不再是下降方向甚至发散的原因。网格无关性验证和时间步长无关性验证,保证数值解的稳定性和精度;不同优化算法的周期迭代次数无关性验证,又兼顾了反演算法的计算效率。(3)热掺混管道内壁面温度波动反演结果实验校验。利用饱和蒸汽和过冷水在T型管道内发生直接接触凝结,从而获得了常温常压工况下较大的管壁温度波动。通过蒸汽直接接触凝结实验段管壁温度波动的实验数据,对热掺混管道管壁温度波动反演数值结果进行实验校验。实验工况下的热掺混管道管壁温度波动反演结果,不仅考虑了网格、时间步长和迭代循环次数等无关性验证,而且通过引入的测量数据降噪技术,提高了导热反问题求解的稳定性和收敛性。常物性反演模型下温度波动的反演值与实验值,无论是在时域还是在频域二者趋势基本吻合,反演的温度波动幅度的平均相对误差均不超过14.32%。(4)导热反问题在核电T型管道试验件内壁面温度波动监测中的应用。将综合考虑测量温度降噪、网格无关性验证、时间步长无关性验证、常物性与变物性导热反问题模型、优化算法和计算时效在内的导热反问题数学模型,应用于武汉核动力运行研究所某核电T型管道试验件内壁面温度波动监测中,将试验件部分外壁面测量温度、测点位置和物理模型参数作为反演程序的输入数据,其他剩余外壁面数据作为反问题校验数据,对比分析了反演监测程序的计算值与实验测量值。研究结果表明:热掺混管道管壁温度波动反演监测程序,反演结果兼顾了网格和时间步长无关性和计算效率;在实验工况下,常物性和变物性导热反问题模型二者计算获得的温度波动与实验测量的温度波动,其趋势无论是在时域还是在频域都基本相同,二者计算获得的温度波动幅度的相对误差均不超过15.6%;常物性导热反问题模型与经过优化迭代次数的反演数值计算具有较高的计算效率与计算稳定性。上述研究成果,有望应用于核电热掺混T型管道管壁温度波动在线温度反演与监测。通过上述研究,探索了基于导热反问题对热掺混管道内壁面温度波动反演方法,该方法有望应用于核电管道安全性和结构完整性较高的场合,为发展一种无损间接的温度技术手段奠定了一定的理论基础。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：

示意图,管道,示意图,热疲劳裂纹

１．１课题研究背景和意义逡逑在诸如石油、化工、核电等工业领域，为了完成一定的工艺流程，Ｔ型管道逡逑是不可避免的管道结构形式［１］。在Ｔ型管道（见图１－１）中，主路管道入口流体逡逑温度与支路管道入口流体温度往往具有一定的温差（即存在冷流体和热流体）。逡逑当冷流体和热流体分别在主路管道与支路管道相遇时，会发生热掺混现象，不仅逡逑会有热量传递，还伴随质量传递与动量传递。受热质传递的影响，Ｔ型管道热掺逡逑混瞬态极易造成流体的温度波动。当Ｔ型管道内部近壁面流体的温度发生波动逡逑时，在对流换热和管壁热传导的共同作用下，Ｔ型管道的管壁温度也将发生波动。逡逑当Ｔ型管道由于管壁温度波动引起的变形受到上下游连接的约束时，将造成管壁逡逑固体区域的热应力发生波动。一旦热应力波动诱发的热疲劳累积超过管道的热疲逡逑劳极限，就可能在管壁固体区域产生热疲劳裂纹。随着热疲劳裂纹的扩展，热掺逡逑混Ｔ型管道有可能发生热疲劳断裂，从而造成严重的安全事故。在法国西沃逡逑（ＣＩＶＡＵＸ）核电站的余热排出系统的Ｔ型管道中曾发现由于管道管壁温度波动逡逑造成的热疲劳裂纹［２，３］。Ｔ型管道广泛应用于石油、化工、核电等工业领域。因逡逑此

热状态,准则,示意图,安全评估

逑大量实验的基础上，考虑了不同的主、支路管道入口处流体流速以及不同的主、逡逑支路管道管径对Ｔ型管道内热掺混现象的影响。从图１－２中可以看出，对热掺混逡逑Ｔ型管道热疲劳状态的安全评估一共包含了四个步骤：（１）冷热流体的温差是否逡逑超过允许值、（２）热掺混后的流体温度波动是否超过允许值、（３）热应力波动的逡逑幅值是否超过允许值和（４）疲劳累积使用因子是否超过１。当满足其中一个步逡逑骤时，就完成了对热掺混Ｔ型管道热疲劳状态的安全评估。当四个步骤均不满足逡逑时，就需要对热掺混Ｔ型管道的热疲劳状态进行具体的安全评估。此外，还有两逡逑种情形需要对热掺混Ｔ型管道的热疲劳状态进行具体的安全评估，分别是（１）逡逑特殊工况参数和（２）相对精确的评估。虽然ＪＳＭＥ指导准则涵盖了典型的热掺逡逑混工况参数，但是并非所有的热掺混工况参数，因此ＪＳＭＥ指导准则在实际的使逡逑用中有一定的局限性。此外，ＪＳＭＥ指导准则的四个步骤的安全评估偏于保守。．逡逑逦逦逡逑Ｄｅｓｉｇｎ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ逡逑Ｆｌｏｗ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ

内容,监测程序,核电,管道

在导热反问题数学模型构建及数值实验校验、数值优化及优化算法、实逡逑验校验及在核电热掺混Ｔ型管道试验件内壁面温度监测中的应用等方面开展相逡逑关研究工作，其主要研究内容如图１－３所示：逡逑ｒ逦热掺混管道逦、逡逑（已知外壁面温度，监测管壁逡逑；逦＇卲度波动），邋Ｉ邋，逦＇逡逑＾逦Ｌ．？邋一逦—＾构建及校验逡逑＇开发热掺混管道＇逦／ｐＨ逡逑管壁温度波动逦＾自无关性验证一Ｖ：：：．逦＾逡逑的监测程序逦Ｕ？（时间步长ｊ逡逑￣￣算法的优化ｊ逡逑「Ｊ?＿热掺混—管ｉｉ—＇逦测点—逡逑管壁温度波动一触－逡逑、逦卖验系统逦ｊ邋Ｉ壚头验．．．．．．．ｊ逦验工况；逡逑管壁温度波动监测程序的逦一逦＿＿逡逑、逦实验校验逦＇逦）Ｕ（常导热系逡逑＾逦热掺混管道逦—？？、核电热掺混管道试验件；逡逑，管壁温ｋ波动监测程序逦－逡逑、逦在核电中的应用逦，￣￣？｛常导热系数模型与变导热系数模型＾逡逑图１－３主要研究内容逡逑Ｆｉｇ．１－３邋Ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｃｏｎｔｅｎｔｓ逡逑９逡逑

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