【摘要】：當(dāng)冷流體和熱流體在T型管道發(fā)生熱摻混時(shí),不僅會(huì)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(dòng)量傳遞。熱質(zhì)傳遞機(jī)理作用,T型管道瞬態(tài)熱摻混過(guò)程極易造成流體的溫度波動(dòng)。當(dāng)T型管道內(nèi)部近壁面流體的溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí),在對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)的共同作用下,T型管道的管壁溫度也將發(fā)生波動(dòng),這種溫度波動(dòng)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(lái)測(cè)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(guò)外壁面測(cè)溫而不破壞管道結(jié)構(gòu)的無(wú)損間接溫度評(píng)估方法,成為核電熱疲勞分析亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文針對(duì)熱摻混T型管道內(nèi)壁面溫度波動(dòng)的監(jiān)測(cè),基于導(dǎo)熱反問(wèn)題,利用管道外壁面測(cè)溫,發(fā)展和完善一種無(wú)損間接反演瞬時(shí)熱摻混T型管道內(nèi)壁面溫度波動(dòng)的方法,期待該方法能夠?yàn)楹穗姽艿罒崞谠u(píng)估溫度在線監(jiān)測(cè)奠定一定的理論基礎(chǔ)。本文以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)熱摻混T型管道內(nèi)壁面溫度波動(dòng)反演為目標(biāo),在導(dǎo)熱反問(wèn)題數(shù)學(xué)模型及數(shù)值校驗(yàn)、數(shù)值方法、優(yōu)化算法、實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)以及在核電T型管道試驗(yàn)件內(nèi)壁面溫度波動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用等方面開(kāi)展工作,其主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)導(dǎo)熱反問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及數(shù)值實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)。基于導(dǎo)熱反問(wèn)題數(shù)學(xué)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(dòng)和隨機(jī)波動(dòng)下的數(shù)值實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了管道內(nèi)外壁面溫度的反演值與數(shù)值實(shí)驗(yàn)值,對(duì)所構(gòu)建的導(dǎo)熱反問(wèn)題模型及求解方法進(jìn)行了校驗(yàn)。校驗(yàn)結(jié)果表明:導(dǎo)熱反問(wèn)題數(shù)學(xué)模型具有較高的計(jì)算精度,在管內(nèi)近壁面流體的最大溫度波動(dòng)為160℃時(shí),導(dǎo)熱反問(wèn)題求解的內(nèi)壁面溫度和數(shù)值實(shí)驗(yàn)的內(nèi)壁面溫度基本一致。(2)導(dǎo)熱反問(wèn)題數(shù)值算法優(yōu)化與熱摻混管道管壁溫度波動(dòng)反演程序開(kāi)發(fā)。基于數(shù)值解對(duì)網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性要求,詳細(xì)闡述了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證途徑;理論分析了采用非精確的一維搜索時(shí)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(wú)關(guān)性驗(yàn)證和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性驗(yàn)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(wú)關(guān)性驗(yàn)證,又兼顧了反演算法的計(jì)算效率。(3)熱摻混管道內(nèi)壁面溫度波動(dòng)反演結(jié)果實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)。利用飽和蒸汽和過(guò)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(dòng)。通過(guò)蒸汽直接接觸凝結(jié)實(shí)驗(yàn)段管壁溫度波動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)熱摻混管道管壁溫度波動(dòng)反演數(shù)值結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工況下的熱摻混管道管壁溫度波動(dòng)反演結(jié)果,不僅考慮了網(wǎng)格、時(shí)間步長(zhǎng)和迭代循環(huán)次數(shù)等無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,而且通過(guò)引入的測(cè)量數(shù)據(jù)降噪技術(shù),提高了導(dǎo)熱反問(wèn)題求解的穩(wěn)定性和收斂性。常物性反演模型下溫度波動(dòng)的反演值與實(shí)驗(yàn)值,無(wú)論是在時(shí)域還是在頻域二者趨勢(shì)基本吻合,反演的溫度波動(dòng)幅度的平均相對(duì)誤差均不超過(guò)14.32%。(4)導(dǎo)熱反問(wèn)題在核電T型管道試驗(yàn)件內(nèi)壁面溫度波動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。將綜合考慮測(cè)量溫度降噪、網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證、時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證、常物性與變物性導(dǎo)熱反問(wèn)題模型、優(yōu)化算法和計(jì)算時(shí)效在內(nèi)的導(dǎo)熱反問(wèn)題數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用于武漢核動(dòng)力運(yùn)行研究所某核電T型管道試驗(yàn)件內(nèi)壁面溫度波動(dòng)監(jiān)測(cè)中,將試驗(yàn)件部分外壁面測(cè)量溫度、測(cè)點(diǎn)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(wèn)題校驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)比分析了反演監(jiān)測(cè)程序的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。研究結(jié)果表明:熱摻混管道管壁溫度波動(dòng)反演監(jiān)測(cè)程序,反演結(jié)果兼顧了網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性和計(jì)算效率;在實(shí)驗(yàn)工況下,常物性和變物性導(dǎo)熱反問(wèn)題模型二者計(jì)算獲得的溫度波動(dòng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度波動(dòng),其趨勢(shì)無(wú)論是在時(shí)域還是在頻域都基本相同,二者計(jì)算獲得的溫度波動(dòng)幅度的相對(duì)誤差均不超過(guò)15.6%;常物性導(dǎo)熱反問(wèn)題模型與經(jīng)過(guò)優(yōu)化迭代次數(shù)的反演數(shù)值計(jì)算具有較高的計(jì)算效率與計(jì)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(dòng)在線溫度反演與監(jiān)測(cè)。通過(guò)上述研究,探索了基于導(dǎo)熱反問(wèn)題對(duì)熱摻混管道內(nèi)壁面溫度波動(dòng)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(chǎng)合,為發(fā)展一種無(wú)損間接的溫度技術(shù)手段奠定了一定的理論基礎(chǔ)。
【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】：2018
【分類號(hào)】：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(jiàn)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(dāng)冷流體和熱流體分別在主路管道與支路管道相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生熱摻混現(xiàn)象，不僅逡逑會(huì)有熱量傳遞，還伴隨質(zhì)量傳遞與動(dòng)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(dòng)。當(dāng)Ｔ型管道內(nèi)部近壁面流體的溫度發(fā)生波動(dòng)逡逑時(shí)，在對(duì)流換熱和管壁熱傳導(dǎo)的共同作用下，Ｔ型管道的管壁溫度也將發(fā)生波動(dòng)。逡逑當(dāng)Ｔ型管道由于管壁溫度波動(dòng)引起的變形受到上下游連接的約束時(shí)，將造成管壁逡逑固體區(qū)域的熱應(yīng)力發(fā)生波動(dòng)。一旦熱應(yīng)力波動(dòng)誘發(fā)的熱疲勞累積超過(guò)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(kuò)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(yán)重的安全事故。在法國(guó)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)熱摻混逡逑Ｔ型管道熱疲勞狀態(tài)的安全評(píng)估一共包含了四個(gè)步驟：（１）冷熱流體的溫差是否逡逑超過(guò)允許值、（２）熱摻混后的流體溫度波動(dòng)是否超過(guò)允許值、（３）熱應(yīng)力波動(dòng)的逡逑幅值是否超過(guò)允許值和（４）疲勞累積使用因子是否超過(guò)１。當(dāng)滿足其中一個(gè)步逡逑驟時(shí)，就完成了對(duì)熱摻混Ｔ型管道熱疲勞狀態(tài)的安全評(píng)估。當(dāng)四個(gè)步驟均不滿足逡逑時(shí)，就需要對(duì)熱摻混Ｔ型管道的熱疲勞狀態(tài)進(jìn)行具體的安全評(píng)估。此外，還有兩逡逑種情形需要對(duì)熱摻混Ｔ型管道的熱疲勞狀態(tài)進(jìn)行具體的安全評(píng)估，分別是（１）逡逑特殊工況參數(shù)和（２）相對(duì)精確的評(píng)估。雖然ＪＳＭＥ指導(dǎo)準(zhǔn)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(dǎo)準(zhǔn)則在實(shí)際的使逡逑用中有一定的局限性。此外，ＪＳＭＥ指導(dǎo)準(zhǔn)則的四個(gè)步驟的安全評(píng)估偏于保守。．逡逑邐邐逡逑Ｄｅｓｉｇｎ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ逡逑Ｆｌｏｗ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ

在導(dǎo)熱反問(wèn)題數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及數(shù)值實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)、數(shù)值優(yōu)化及優(yōu)化算法、實(shí)逡逑驗(yàn)校驗(yàn)及在核電熱摻混Ｔ型管道試驗(yàn)件內(nèi)壁面溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用等方面開(kāi)展相逡逑關(guān)研究工作，其主要研究?jī)?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(cè)管壁逡逑；邐＇卲度波動(dòng)），邋Ｉ邋，邐＇逡逑＾邐Ｌ．？邋一邐—＾構(gòu)建及校驗(yàn)逡逑＇開(kāi)發(fā)熱摻混管道＇邐／ｐＨ逡逑管壁溫度波動(dòng)邐＾自無(wú)關(guān)性驗(yàn)證一Ｖ：：：．邐＾逡逑的監(jiān)測(cè)程序邐Ｕ？（時(shí)間步長(zhǎng)ｊ逡逑￣￣算法的優(yōu)化ｊ逡逑「Ｊ?＿熱摻混—管ｉｉ—＇邐測(cè)點(diǎn)—逡逑管壁溫度波動(dòng)一觸－逡逑、邐賣驗(yàn)系統(tǒng)邐ｊ邋Ｉ壚頭驗(yàn)．．．．．．．ｊ邐驗(yàn)工況；逡逑管壁溫度波動(dòng)監(jiān)測(cè)程序的邐一邐＿＿逡逑、邐實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)邐＇邐）Ｕ（常導(dǎo)熱系逡逑＾邐熱摻混管道邐—？？、核電熱摻混管道試驗(yàn)件；逡逑，管壁溫ｋ波動(dòng)監(jiān)測(cè)程序邐－逡逑、邐在核電中的應(yīng)用邐，￣￣？｛常導(dǎo)熱系數(shù)模型與變導(dǎo)熱系數(shù)模型＾逡逑圖１－３主要研究?jī)?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(hào)：2764545