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T型三通管中冷热流体混合过程的大涡模拟

作　者: 郭志军
导　师: 卢涛
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: T型三通管热波动大涡模拟混合过程
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 102次
引　用: 2次
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内容摘要

T型管道广泛应用于能源动力、石油化工等管路运输系统中,当两种不同温度的流体在T型管道混合时,会发生热波动现象,使得管道产生热应力,诱发管道热疲劳失效,容易造成重大事故。近几十年来,在核电站由热疲劳而引发的管道失效或泄漏之类的事故,使人们对T型管道内由于热波动造成的热疲劳问题极为重视。本文通过计算流体力学(Computational fluid dynamics-CFD)方法,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation-LES)湍流模型,对T型管道中冷热流体的混合过程进行模拟,数值观测到了T型管道内冷热流的混合过程产生热波动现象。并将模拟数据与前人所做的实验数据进行比较,验证了大涡模拟是一种可靠、经济的湍流模型和数值方法。通过CFD模拟,能够准确预测管内的热波动,得到无量纲温度和速度的时均值和均方根值,分别反映某一位置流体的温度和速度在某一时间序列的平均值和偏离平均值的程度,并对温度波动进行了功率谱密度(Power Spectrum Density-PSD)分析,功率谱密度与波动频率之关系是热疲劳失效分析和管道使用寿命评估必不可少的基础性数据。通过对不同雷诺数Re,不同理查德森数Ri工况的混合过程的大涡模拟,分析了雷诺数Re和理查德森数Ri对流体混合过程及其产生的热波动的影响。最后对在T型管道混合段填充多孔介质的工况进行了数值模拟,并与没有填充多孔介质的工况进行了对比。数值结果表明,多孔介质能够有效降低热波动强度,从而能够有效降低T型管道遭受由于冷热流体混合过程热波动诱发热疲劳失效的风险。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
第一章绪论  15-23
  1.1 课题研究背景和意义  15-17
  1.2 研究进展  17-21
  1.3 本文主要研究内容和目标  21-23
第二章 T型管道冷热流体混合过程大涡模拟  23-31
  2.1 湍流模型简介  23-25
  2.2 大涡模拟的数学模型  25-27
  2.3 LES模拟方案  27-30
  2.4 小结  30-31
第三章 T型管道冷热流体混合过程大涡模拟有效性验证  31-35
  3.1 温度与速度的时均与均方根特征值  31-32
  3.2 大涡模拟有效性验证  32-34
  3.3 小结  34-35
第四章雷诺数与理查德森数对混合过程的影响  35-55
  4.1 雷诺数和理查德森数对混合过程的影响—工况case 1和case 5的对比分析  35-45
    4.1.1 瞬时温度  35-37
    4.1.2 瞬时速度  37-39
    4.1.3 时均速度和均方根速度  39-41
    4.1.4 时均温度和均方根温度  41-43
    4.1.5 温度波动及功率谱密度  43-45
  4.2 理查德森数对混合过程的影响—工况case 5和case 6的对比分析  45-53
    4.2.1 瞬时温度  45-47
    4.2.2 瞬时速度  47-48
    4.2.3 时均速度和均方根速度  48-49
    4.2.4 时均温度和均方根温度  49-51
    4.2.5 温度波动及功率谱密度  51-53
  4.3 小结  53-55
第五章多孔介质削弱T型管道冷热流体混合过程热波动  55-65
  5.1 多孔介质结构  55
  5.2 T型管道中多孔介质区域的大涡模拟  55-56
  5.3 T型管道中有无多孔介质热波动对比—case 5工况  56-63
    5.3.1 瞬时温度  56-57
    5.3.2 瞬时速度  57-58
    5.3.3 时均速度与均方根速度  58-60
    5.3.4 时均温度与均方根温度  60-61
    5.3.5 温度波动及功率谱密度  61-62
    5.3.6 压强损失  62-63
  5.4 小结  63-65
第六章结论与展望  65-67
  6.1 结论  65-66
  6.2 展望  66-67
参考文献  67-71
致谢  71-73
研究成果及发表的学术论文  73-75
作者及导师简介  75-76
硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  76-77

T型三通管中冷热流体混合过程的大涡模拟

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