壓水堆波動(dòng)管流動(dòng)與傳熱及熱--力耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形與疲勞研究.pdf

1、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，通過實(shí)

2、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)

3、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

4、熱-流-固耦合分析與評(píng)估問題。
　　(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。通過理論分析和數(shù)據(jù)處理，擬合了最大無量綱截面頂?shù)诇夭?、熱分層區(qū)

5、域無量綱長度、無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)無量綱平均溫度為0.5的位置管道熱波動(dòng)最為劇烈，通過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)

6、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;通過對(duì)比不同管道布置方式下的波動(dòng)管管道熱變形，

7、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;無量綱均方根溫度與最大均方根熱應(yīng)力之間近似呈

8、現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。通過波動(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量綱累積熱疲勞損傷率與無量綱平均溫度、無量綱均方根溫度、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