基于导热反问题的热掺混管道内壁面温度波动的反演

摘要

当冷流体和热流体在T型管道发生热掺混时，不仅会有热量传递，还可能伴随质量传递（如蒸发或凝结相变等）与动量传递。热质传递机理作用，T型管道瞬态热掺混过程极易造成流体的温度波动。当T型管道内部近壁面流体的温度发生波动时，在对流换热和热传导的共同作用下，T型管道的管壁温度也将发生波动，这种温度波动极易诱发结构疲劳累积损伤，尤其在诸如核电管道安全性和结构完整性要求极高的领域，往往不允许破坏管道壁面来测量管道内部流体、管道内壁面温度，因此发展一种通过外壁面测温而不破坏管道结构的无损间接温度评估方法，成为核电热疲劳分析亟待解决的关键问题之一。本文针对热掺混T型管道内壁面温度波动的监测，基于导热反问题，利用管道外壁面测温，发展和完善一种无损间接反演瞬时热掺混T型管道内壁面温度波动的方法，期待该方法能够为核电管道热疲劳评估温度在线监测奠定一定的理论基础。
　　本文以实现对瞬态热掺混T型管道内壁面温度波动反演为目标，在导热反问题数学模型及数值校验、数值方法、优化算法、实验校验以及在核电T型管道试验件内壁面温度波动监测中的应用等方面开展工作，其主要研究内容和结论如下:
　　(1)导热反问题的数学模型构建及数值实验校验。基于导热反问题数学模型及数值求解，构建了管内近壁面流体温度规律波动和随机波动下的数值实验，对比分析了管道内外壁面温度的反演值与数值实验值，对所构建的导热反问题模型及求解方法进行了校验。校验结果表明:导热反问题数学模型具有较高的计算精度，在管内近壁面流体的最大温度波动为160℃时，导热反问题求解的内壁面温度和数值实验的内壁面温度基本一致。
　　(2)导热反问题数值算法优化与热掺混管道管壁温度波动反演程序开发。基于数值解对网格和时间步长无关性要求，详细阐述了网格无关性验证和时间步长无关性验证途径;理论分析了采用非精确的一维搜索时共轭梯度法和变尺度法，可能出现搜索方向不再是下降方向甚至发散的原因。网格无关性验证和时间步长无关性验证，保证数值解的稳定性和精度;不同优化算法的周期迭代次数无关性验证，又兼顾了反演算法的计算效率。
　　(3)热掺混管道内壁面温度波动反演结果实验校验。利用饱和蒸汽和过冷水在T型管道内发生直接接触凝结，从而获得了常温常压工况下较大的管壁温度波动。通过蒸汽直接接触凝结实验段管壁温度波动的实验数据，对热掺混管道管壁温度波动反演数值结果进行实验校验。实验工况下的热掺混管道管壁温度波动反演结果，不仅考虑了网格、时间步长和迭代循环次数等无关性验证，而且通过引入的测量数据降噪技术，提高了导热反问题求解的稳定性和收敛性。常物性反演模型下温度波动的反演值与实验值，无论是在时域还是在频域二者趋势基本吻合，反演的温度波动幅度的平均相对误差均不超过14.32％。
　　(4)导热反问题在核电T型管道试验件内壁面温度波动监测中的应用。将综合考虑测量温度降噪、网格无关性验证、时间步长无关性验证、常物性与变物性导热反问题模型、优化算法和计算时效在内的导热反问题数学模型，应用于武汉核动力运行研究所某核电T型管道试验件内壁面温度波动监测中，将试验件部分外壁面测量温度、测点位置和物理模型参数作为反演程序的输入数据，其他剩余外壁面数据作为反问题校验数据，对比分析了反演监测程序的计算值与实验测量值。研究结果表明:热掺混管道管壁温度波动反演监测程序，反演结果兼顾了网格和时间步长无关性和计算效率;在实验工况下，常物性和变物性导热反问题模型二者计算获得的温度波动与实验测量的温度波动，其趋势无论是在时域还是在频域都基本相同，二者计算获得的温度波动幅度的相对误差均不超过15.6％;常物性导热反问题模型与经过优化迭代次数的反演数值计算具有较高的计算效率与计算稳定性。上述研究成果，有望应用于核电热掺混T型管道管壁温度波动在线温度反演与监测。
　　通过上述研究，探索了基于导热反问题对热掺混管道内壁面温度波动反演方法，该方法有望应用于核电管道安全性和结构完整性较高的场合，为发展一种无损间接的温度技术手段奠定了一定的理论基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 研究进展

1．2．1 导热正问题研究

1．2．2 导热反问题研究

1．3 本文主要研究内容和目标

1．3．1 本文的主要研究方法和内容

1．3．2 本文的研究目标

第二章 导热反问题的数学模型及数值实验

2．1 导热正问题

2．1．1 数学物理模型

2．1．2 数值求解方法

2．2 导热反问题

2．3 数值实验

2．3．1 管内近壁面流体温度的规律波动

2．3．2 管内近壁面流体温度的随机波动

2．4 本章小结

第三章 热掺混管道内壁面温度波动数值算法

3．1 自无关性验证

3．1．1 网格自无关性验证

3．1．2 时间步长自无关性验证

3．2 优化算法

3．2．1 共轭梯度法

3．2．2 变尺度法

3．3 本章小结

第四章 热掺混管道内壁面温度波动反演结果实验校验

4．1 实验段的数据测量

4．1．1 实验流程和主要实验装置

4．1．2 实验段和测点布置方案

4．1．3 实验工况和操作流程

4．2 实验段内壁面温度波动的反演

4．2．1 降噪

4．2．2 实验段外壁面的对流换热系数

4．2．3 常导热系数模型

4．2．4 无关性验证

4．2．5 工况1下常导热系数模型的实验校验

4．3 增大过冷水入口流量

4．3．1 过冷水入口流量为0．75 m3／h

4．3．2 过冷水入口流量为1 m3／h

4．3．3 过冷水入口流量为1．25 m3／h

4．3．4 过冷水入口流量为1．5 m3／h

4．4 升高过冷水入口温度

4．5 本章小结

第五章 导热反问题在核电T型管道试验件内壁面温度波动监测中的应用

5．1 核电热掺混T型管道的实物模型实验

5．1．1 实物模型实验系统

5．1．2 实验工况

5．1．3 外壁面测温的铠装热电偶布置

5．2 核电热掺混管道试验件的物理模型

5．3 热掺混管道试验件内壁面温度波动的反演

5．3．1 降噪

5．3．2 网格无关性验证

5．3．3 时间步长无关性验证

5．3．4 两种反演模型的实验验证

5．3．5 计算效率的优化

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 本文的创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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