基于共軛梯度法的瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題研究及在核電中的應(yīng)用.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國能源需求日益增長，核電作為一種高效清潔能源正蓬勃發(fā)展起來，而核安全也成為人們關(guān)注的話題。在核電的諸多管道中，經(jīng)常會遇到冷熱流體匯合、熱分層等溫度波動情況。管道內(nèi)溫度波動可能誘發(fā)管道發(fā)生熱疲勞失效，導(dǎo)致核電管道發(fā)生泄漏。以波動管熱分層為例，包括中國在內(nèi)的核電國家，無論是在役，還是擬建的核電站都必須完成波動管熱分層分析與危害評估，足以看出熱分層誘發(fā)管道熱疲勞失效的重要性。
　　由于結(jié)構(gòu)完備性要求，對于核電的管道系

2、統(tǒng)，不允許在管道內(nèi)部或者壁面開孔來安裝熱電偶測量流體溫度和內(nèi)壁面溫度，這需要探索一種間接無損的溫度測量或評估方法來獲得管道內(nèi)流體和內(nèi)壁面溫度。本文提出瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題(Transient Inverse Heat Conduction Problem withMulti-variables)來預(yù)測核電典型管道溫度波動現(xiàn)象，亦即利用易于測量的管道外壁面溫度，通過共軛梯度法對圓管的近壁面流體溫度、內(nèi)壁面溫度及內(nèi)壁面對流換熱系數(shù)進(jìn)行反演，

3、同時還可獲得整個管道的瞬時溫度場。
　　本文主要在以下幾個方面開展研究:
　　(1)二維和三維圓管導(dǎo)熱正問題與瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題研究。構(gòu)建了基于有限元法的二維和三維圓管的導(dǎo)熱正問題求解模型，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證及時間步長敏感性分析，為反問題實驗臺的測點布置方案及溫度采集頻率的確定提供了理論依據(jù)。構(gòu)建了基于共軛梯度法的瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題模型，給出了利用外壁面測量溫度反演內(nèi)壁面第三類邊界條件的具體實施步驟。
　　(2)

4、瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題實驗校驗及結(jié)果分析。搭建了基于熱分層原理的導(dǎo)熱反問題實驗臺，進(jìn)行了導(dǎo)熱反問題實驗。研究利用實驗結(jié)果對二維和三維導(dǎo)熱反問題模型及反演結(jié)果進(jìn)行了校驗。基于校驗過的導(dǎo)熱反問題模型，研究了測點數(shù)對反演精度的影響，研究結(jié)果表明測點數(shù)越多，反演精度越高。當(dāng)二維導(dǎo)熱反問題測點數(shù)降低到2個時，平均相對誤差不超過4.3％，三維導(dǎo)熱反問題測點數(shù)降低到6個時，平均相對誤差不超過6.8％。從導(dǎo)熱反問題實驗結(jié)果及反演結(jié)果可以看出:管道內(nèi)壁各測

5、點處的熱邊界層厚度隨冷水流量的增大呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，多數(shù)測點處的熱邊界層厚度隨冷水流量的增大而變厚;反演的對流換熱系數(shù)值隨冷水流量的增大而略有增大;管壁的溫度分布規(guī)律也隨冷水流量的變化而發(fā)生明顯改變。
　　(3)二維瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題反演波動管內(nèi)壁面第三類邊界條件。利用已校驗的二維瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題模型對核電穩(wěn)壓器波動管4個沿管道軸線的易發(fā)生熱分層現(xiàn)象的典型截面進(jìn)行了反演。從計算結(jié)果中可以明顯看出截面所處位置的不同，其溫度

6、場分布規(guī)律不同。24D和27D截面的壁面溫度最高點位于管道頂部，溫度最低點位于管道底部，而20D和22D管壁溫度最高點位置向右發(fā)生了偏移。這是由于管道的幾何特征致使流體流動方向改變造成的。另外，四個截面得出的對流換熱系數(shù)也不盡相同，處于彎管處的截面，其對流換熱系數(shù)較大，但四個截面的對流換熱系數(shù)值相差不大，這也說明了三維導(dǎo)熱反問題中求解平均對流換熱系數(shù)的可行性。
　　(4)熱分層三維彎管正問題數(shù)值試驗及反問題結(jié)果分析。對存在熱分層現(xiàn)

7、象的三維彎管進(jìn)行了瞬態(tài)導(dǎo)熱正問題及多參量導(dǎo)熱反問題研究，由抗噪性和外壁面測點數(shù)討論得知，存在一定的“測量”誤差時，該方法仍可以得到一定精度的反演結(jié)果，彎管拐角區(qū)域的測點數(shù)對反演精度影響較大，該區(qū)域的測點數(shù)越多，反演精度越高，其他區(qū)域的測點數(shù)對反演精度的影響較小。
　　(5)三維瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題反演熱分層T型彎管溫度分布。利用已校驗的三維瞬態(tài)多參量導(dǎo)熱反問題模型對存在有熱分層的T型彎管的彎管段進(jìn)行了反演，揭示了在湍流穿透和浮升力