冷热流体混合热波动特性及管道热疲劳寿命研究
T型管结构被广泛应用于核电、化工等工业领域，这种管道结构内发生的冷热流体混合过程往往会导致流体流动与传热状态复杂多变、难以预测。在管道布置空间受限的环境下，主支管上下游通常需要增加弯管结构，这将进一步影响T型管内流体的流动形式与传热规律。同时，冷热流体混合所引起的剧烈热波动极易导致管道发生热疲劳失效现象，严重威胁管路系统的运行安全。因此，针对T型管冷热流体混合热波动特性及管道热疲劳寿命的研究，在优化管道结构、提高管道安全性方面具有重要的工程应用价值。 本文针对核电一回路管道系统，通过流固耦合数值计算方法及热疲劳评估方法对支管上游带90°弯管T型管冷热流体混合过程进行研究。探究在支管弯管诱发的二次流作用下，热工水力参数对混合过程流体热波动特性及管道热疲劳寿命的影响规律，并对支管上游带90°弯管的T型管进行结构优化。本研究主要工作及结论如下： （1）基于CFD数值模拟方法，利用LES大涡湍流模型，通过改变相关热工水力参数，探究主支管流体动量比与温差对支管上游带90°弯管T型管内冷热流体混合过程热波动特性的影响。随着主支管流体动量比减小，支管弯管诱发的二次流作用逐渐明显，流体旋流增强；随着主支管流体温差增大，近壁面流体及管道壁面温度波动程度逐渐增大；而动量比及温差等参数与管道壁面热波动频率并未呈现出明显的规律特征。 （2）基于CFD-FEM热-流-固耦合数值计算方法，探究主支管流体动量比与温差对支管上游带90°弯管T型管热应力大小及波动的影响。本研究通过单向瞬态流固耦合方法，将CFD模拟结果中的瞬态管道体温度载荷及内壁面压力载荷按时空间顺序依次加载至管道，进行有限元分析，总结相关热工水力参数变化对热应力的影响规律。 （3）基于第四强度理论，通过定义无量纲热疲劳寿命L*，对各工况管道进行热疲劳寿命评估，确定T型管保守运行工况。主支管流体动量比与管道热疲劳寿命不呈线性相关；而随着流体温差的增大，管道热疲劳寿命逐渐减小；在动量比为0.2069，温差为125℃的工况条件下，管道热疲劳寿命最短，为6.48×10-3年，出现热疲劳失效现象，该工况为本研究中的保守运行工况。 （4）基于保守运行工况，对支管弯管方向与高度进行敏感性分析，探究支管弯管方向与高度对流体热波动特性及管道热疲劳寿命的影响规律，确定支管上游带90°弯管T型管的结构优化方案。支管弯管方向与高度分别对二次流偏转方向及作用强度产生影响，当支管弯管方向为180°时，管道的热疲劳寿命为1.32×1035年，极大地提高了保守运行工况的热疲劳寿命，该结构设计为支管上游带90°弯管T型管的最优设计方案。 本文通过CFD数值模拟研究、热-流-固耦合计算及热疲劳评估方法对支管上游带90°弯管T型管冷热流体混合过程的流动与传热特性、耦合热应力及管道热疲劳寿命随热工水力参数与管道结构参数变化的特征规律进行分析，基于此特征规律，实现了支管上游带90°弯管T型管的管道结构优化，为对该结构T型管热波动特性及管道热疲劳的研究提供数据支撑，具有一定的科学意义及工程应用价值。
核电管道系统;T型管;冷热流体;混合热波动;热疲劳寿命
北京化工大学
硕士
机械工程
卢涛;邓坚
2022
中文
TM623
2022-11-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）