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核电用热力管道计量装置内部温度场分布的研究

杨栩  
【摘要】:本文目的是研究管内温度场的分布情况,通过优化前后模拟云图和实验数据对比,对计量装置加热器进行布局,以保证计量装置内部温度场分布均匀。本文研究思路为:案例分析→方案选取→计算机仿真→试验台搭建→计量装置应用测量→结果分析→FLUENT模拟优化→优化后计量装置搭建→数据测量验证→应用拓展。本文利用ICEM软件建立轴心为加热棒,外部为钢管的模型。通过O-block切分得到结构化网格,经过网格加密和无关性检验后导入FLUENT。确定影响温度场分布的传热方式为温度引起密度差而产生的空气自然对流后,进行FLUENT参数设定,尤其是设置重力。进行温度、压力和速度云图分析,确定热电偶测点绕管壁环形布置。本文依据GBT10296-2008《绝热层稳态传热性质的测定圆管法》搭设计量装置。本次实验钢管长1000mm,直径100mm,加热棒长900mm,直径20mm,两端头缩进50mm,固定于钢管轴心,横向放置状态下进行实验,观测主管和隔缝最近12组数据波动情况,分析:(1)主管道8测点最大温差;(2)隔缝处最大温差;(3)隔缝与主管1、8号测点温差;(4)主管最高点和最低点温差。1.试测100℃工况下,12组数据温差浮动1%左右,实验数据不随时间变化,处于稳定状态,主管段数据最大温差在1%左右,隔缝处最大温差也在1%左右,实验数据满足正式测试要求2.第一次400℃工况下,12组数据最大温差浮动3%,有明显的先降后升,未达稳定状态,得出结论,测量前的稳定时间由5小时延长至7小时。3.第二次400℃工况下,12组数据最大温差浮动0.8%,不随时间变化。(1)主管道8测点最大温差32.9℃,浮动8.5%,不超过10%;(2)右隔缝最大温差2.9。℃,浮动0.8%,左隔缝2.5。℃,浮动0.7%,均不超过1%;(3)1点与隔缝14点温差8.2℃,浮动2.2%,8点与隔缝23点温差13.2℃,浮动3.5%,超过2.5%;(4)主管相邻高位测点5与低位测点4,高差50mm。温差7.5℃,浮动1.8%。4.进行重复性实验。取5次实验各测点温度平均值作相关性分析,主管测点最大偏差率1.9%,两隔缝测点最大偏差了分别为1.7%、1.5%,满足规范GBT10296-2008中不超过2%的要求。由此证明计量装置在相同实验条件下能够提供相近示值。针对该模型下的温度云图仍存在温度场分布不均匀和实测数据不精确的问题,本文做了优化。选择FLUENT调整模型,顺序如下:第一步将加热棒向y轴负方向偏移20mm,第二步采用两根加热棒分别设置轴向向与轴正负方向各偏移20mm,第三步采用6根加热棒均匀分布在圆管壁附近的布置方式,钢管管径增至360mm。优化后管内(尤其近管壁处)温度场分布均匀。依据最终优化模型搭设计量装置进行测量:1.实验的12组数据最大温差浮动0.3%,不随时间变化。(1)主管道8测点最大温差缩小,为9.2℃,2.3%;(2)隔缝最大温差变化不大,分别为4.0℃、0.8%和2.1℃、0.5%;(3)主管与隔缝温差缩小,分别为2℃、0.5%和8.6℃、2.1%;(4)主管高低测点,高差增加,温差却依然缩小,为1℃,0.2%。2.进行重复性实验。取5次实验平均值作相关性分析,得出主管最大偏差率为0.2%,隔缝处分别为1.6%、1.3%,满足规范要求。对比发现,优化后温度场分布更加均匀,数据更加精确,经相关分析,优化后重复实验示值更相近,优化方案合理可行。最后本文在250mm管径和600mm管径两种条件下,分别贴近管壁均匀设置4根、8根加热棒,通过计算机模拟温度场分布,验证在其他管径下运用FLUENT的可行性。结果显示,在更大管径模型中通过再次加密加热棒的方式可以提升模拟效果,管内温度场更加均匀。


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