压水堆波动管流动与传热及热—力耦合结构应力、变形与疲劳研究

发布时间：2020-03-31 08:14

【摘要】：稳压器波动管是连接稳压器与反应堆主回路的一段管路,在核电站安全运行中起到不可或缺的重要作用。由于结构和功能的特殊性,波动管管内流体流动与传热状态复杂多变,极易诱发管道热变形与热疲劳。本研究探索了一套从流动传热诱因到管道失效表现评估的全耦合链接求解途径,对稳压器波动管的流动与传热、耦合热应力与变形以及管道热疲劳问题开展理论分析与机理揭示,研究课题具有重要的科学意义和工程应用价值。本文首先确立波动管管路的热工水力相似模型,通过实验研究与数值计算的对比,验证包含流动传热CFD方法、热应力应变耦合CFD-FEM方法和热疲劳评估方法等波动管相关研究方法的有效性和准确性。进而分析和探讨了热分层、湍流穿透、湍流穿透诱发的温度波动等波动管典型流动传热现象的形成机理和影响因素,以及管道热变形、热应力波动、热疲劳等结构应力应变的诱发机制与调控手段。最后,通过对多工况下某竖直波动管的热-流-固耦合分析,探究管道温度波动与管道热疲劳累积损伤之间的内在关联,构建基于温度波动特征监测的热疲劳定量评估方法及技术路径。本研究的主要工作及结论如下:(1)建立用于分析复杂流动与传热诱发核电管道热变形与热疲劳问题的全耦合链接求解途径,密切流动传热研究、有限元结构分析及热疲劳损伤率评估之间的学科联系。自行编制的数据批处理指令程序与热疲劳损伤及寿命评估程序可以将核电管路的CFD分析、耦合CFD-FEM分析及热疲劳定量评估等分析环节有机串联,构成缜密的分析求解途径,以解决实际工程中各自独立的管道热-流-固耦合分析与评估问题。(2)进一步揭示波动管管路多种流动与传热现象的本质机理,建立管路流动和传热现象特征与管道结构、管路工况等之间的定量表达,为波动管管路的结构设计与热工水力评估及调控提供理论基础。本研究对影响波动管路热分层和湍流穿透现象的冷热流体温差、管内流体流速、主支管质量流量比、管道直径、管道布置方式等因素的作用机理和规律进行了详细阐述。通过理论分析和数据处理,拟合了最大无量纲截面顶底温差、热分层区域无量纲长度、无量纲湍流穿透距离等参数的关联式。此外,对于湍流穿透诱发的管道温度波动,研究发现无量纲平均温度为0.5的位置管道热波动最为剧烈,通过PSD分析确定温度波动的最大有效频率与主管道入口流速呈现线性正相关关系。(3)确立波动管管道热变形对于不同管道温度场、波入与波出工况及管道布置方式的响应机制,完善管线热位移与截面热变形的判别依据,分析不同管道结构、布置方式对波动管柔性性能的影响,为波动管管道的柔性设计及管道支撑设计与修复提供参考依据。本研究使用管线空间位移量表征波动管管线热位移,使用截面直径位移量表征波动管截面热变形。通过耦合CFD-FEM分析发现,波动管管道热变形的大小和方向主要由管道热分层程度和分布形式决定,轴向位置越远离管道约束的截面热变形位移量越大;通过波入与波出工况下的管道热变形对比,发现相同冷热温差与管内流速的情况下,波入工况管道最大热变形量大于波出工况,但热变形持续时间更短,通过对比不同管道布置方式下的波动管管道热变形,发现水平管段向下倾斜可以明显减小管道最大热变形量,说明锐角弯头可以有效提高波动管管道的柔性性能。(4)揭示管道温度波动与热应力波动、热疲劳损伤之间的内在关联,建立基于温度波动特征监测的管道热疲劳损伤定量评估方法,为核电管路热疲劳的在线监测与状态评估提供应用理论支撑。综合上述波动管管道流动传热、耦合热应力应变研究发现:无量纲平均温度与平均热应力之间近似呈现线性正相关关系;无量纲均方根温度与最大均方根热应力之间近似呈现线性正相关关系。通过波动管管道的疲劳损伤评估,发现管道累积疲劳损伤率是累积热疲劳损伤率和结构疲劳损伤率的叠加作用。最后,通过综合理论分析结论与结果,拟合了不同温差下奥氏体不锈钢管道的无量纲累积热疲劳损伤率与无量纲平均温度、无量纲均方根温度、主回路流体流速等的曲面关系函数,建立了管道温度波动与热疲劳累积损伤之间的直接对应关系。本文通过稳压器波动管路的流动与传热及热-力耦合结构应力、变形与疲劳研究,丰富和完善了波动管管道设计与状态评估的理论和方法,可为核电站管路系统完整性设计及安全评估提供理论基础和科学指导。
【图文】：

示意图,热分层,稳压器,核电站

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逡逑图１－２为核电站稳压器波动管管路内的热分层现象与湍流穿透现象示意图。逡逑图１－２邋（ａ）中，由于稳压器内流体温度较高，而主回路内的流体温度较低，，当两股逡逑流体在稳压器波动管内发生掺混时，会在流速缓慢的波动管水平段（或倾斜段）逡逑形成热分层现象。波动管内掺混的冷热流体温差常常为几十度到近百度，这就使逡逑得波动管管道热分层极为剧烈。严重时，热分层有可能诱发波动管管线产生超出逡逑设计预期的热变形，对管线支撑或者其他设备造成挤拉或者破坏。同时，波动管逡逑内交替出现的“波入”和“波出”工况，也可能造成管道温度和热应力的交替性和周逡逑期性，进而导致管道结构的热疲劳。图１－２邋（ｂ）为稳压器波动管内湍流穿透现象示逡逑意图

方法,流动传热,管路,热疲劳

热工水力特征相似的水平布置Ｔ型管路进行研宄方法的探索和理论分析模型的逦＿逡逑验证。如图１－３所示，水平布置Ｔ型管路的研究包含实验研究和理论研宄两部分，逡逑理论研宄又包含流动传热研宄、耦合热应力应变研宄和热疲劳评估，通过实验研逡逑宄和理论研宄的对比，可以验证流动传热研究ＣＦＤ方法、热应力应变耦合逡逑ＣＦＤ－ＦＥＭ方法和热疲劳评估方法的有效性和精度。水平布置Ｔ型管路的研究可逡逑为稳压器波动管的研究提供方法论支持。逡逑（２）
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623

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