核主泵外置热交换器传热管微动磨损实验与数值模拟

摘要

CAP1400反应堆冷却剂泵外置热交换器主要用于冷却核电站反应堆冷却剂屏蔽泵电机的一次侧水。主泵外置热交换器的设计寿命为60年，为确保其寿期内运行能满足ASME规范分析及设计的相关要求，必须考虑60年运行期间传热管因磨损引起的管壁减薄量。另一方面，为了保证主泵外置热交换器换热要求，不允许设置过于保守的裕量，有必要对各项参数包括磨损量进行深入的研究和分析。因此，开展热交换器传热管磨损研究，通过分析与实验有机结合，揭示微动磨损过程，能更精确且全面的考核传热管壁厚裕量，为设计提供有力支撑，同时对预测传热管寿命，以及核电站的安全运行，都有重要意义。为了设计出长使役寿命的传热管/支撑板支撑结构，本文开发了高效模拟热交换器振动碰撞行为的动力接触数值模型并进行了实验验证，基于提出的高效动力接触模型对传热管与支撑板的接触力进行预测，并进一步研究了一定载荷作用下的传热管磨损情况。 针对传热管振动碰撞模拟存在的问题，将传热管模拟为Euler-Bernoulli梁，通过引入参数变量，将传热管动力接触问题转化为标准的线性互补问题进行求解，避免了传统动力接触算法的迭代过程，保证了计算的收敛性，进一步通过试验验证了所提出的传热管动力接触数值模型的有效性。用数值模拟的方法研究了，不同接触刚度、不同支撑板厚度和不同支撑板孔径大小对传热管振动行为以及传热管与支撑板之间碰撞力的影响。 对传热管磨损问题进行实验研究，通过激振器对模拟传热管进行激振，基于提出的传热管动力接触数值模型，获取传热管与支撑板之间的碰撞接触力，研究一定接触力情况下，传热管在边界铰支-固支，空气-水等不同条件下的振动行为。以此为基础进一步加装支撑板，研究传热管与支撑板的碰撞以及磨损行为。改变不同的碰撞周次，研究不同的碰撞周次与传热管磨损行为之间的关系，并对磨痕进行研究，分析磨损行为的变化，掌握初步的磨损规律，为后续研究提供部分实验基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 外置热交换器传热管概述

1.3 模态叠加法的数值模拟简介

1.4 传热管振动试验研究

1.4.1 悬臂梁实验研究

1.4.2 多跨槽实验研究

1.5 传热管微动磨损实验研究

1.6 本文研究的目的

1.7 本文研究的内容

1.7.1 传热管振动问题的数值模拟与试验验证

1.7.2 传热管磨损实验

2. 传热管动力接触问题的数值建模方法

2.1 传热管动力接触数值模型

2.2 传热管动力接触数值模型的结构振型

2.3 传热管振动行为数值模拟结果与分析

2.3.1 接触刚度对数值模拟结果的影响

2.3.2 支撑板孔径对数值模拟结果的影响

2.3.3 支撑板厚度对数值模拟结果的影响

3 传热管动力接触数值模型的试验验证

3.1 实验材料

3.2 实验前的准备工作

3.3 实验装置与仪器

3.3.1 实验装置

3.3.2 实验仪器

3.4 振动与磨损采用的技术路线

3.4.1 传热管振动采用的技术路线

3.4.2 传热管磨损采用的技术路线

3.5 核主泵外置热交换器传热管动力接触数值模型的试验验证

3.5.1 无支撑板的换热管振动试验验证

3.5.2 有支撑板的换热管振动试验验证

3.6 本章小结

4 核主泵外置热交换器传热管微动磨损实验

4.1 在水环境下传热管振动行为

4.1.1 水环境下不加支撑板板的数值模拟

4.1.2 水环境下加支撑板的数值模拟

4.2 磨损试样在共聚焦显微镜下的形貌分析

4.2.1 传热管上表面磨损

4.2.2 传热管下表面磨损

4.2.3 传热管侧面磨损

4.3 磨损实验的碰撞力以及磨损深度分析

4.3.1 磨损条件下碰撞力的计算

4.3.2 实验中传热管的磨损深度分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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