CN112944085A - 一种改善枝型通道内热分层现象的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善枝型通道内热分层现象的结构，所述枝型通道由两根管道相贯连接而成，冷热流体在枝型通道内发生混合，所述结构由固定件、旋转轴、外侧扰动结构构成，径向垂直或轴向平行布置在枝型通道混合区内，固定件连接在枝型通道内混合区管壁上，带有外侧扰动结构的旋转轴与固定件转动连接。本发明还公开了一种改善枝型通道内热分层现象的方法，流体冲击外侧扰动结构使其旋转，扰动枝型通道内的混合流场，进而减少支管流体对主管的冲击，加速冷热流体的混合，均匀化流体的流场和温度场，有效地改善枝型通道内热分层现象，从而抑制枝型通道疲劳损伤。

Description

一种改善枝型通道内热分层现象的结构及方法

技术领域

本发明涉及海洋核电安全及管道疲劳损伤防护技术领域，具体涉及一种改善枝型通道内热分层现象的结构及方法。

背景技术

枝型通道是海洋核电领域中应用广泛的一种管路结构，其主要用于液体的输送、混合、反应。以海洋核电领域中的蒸汽发生器给水管道为例，当枝型通道输送不同温度液体时，支管射流进入主管后，在支管射流的冲击下，冷热流体在枝型通道内发生混合，冷热流体混合不完全时，枝型通道内发生热分层现象，造成通道内流场和温度场发生波动，进而传递到管壁对管壁造成冲击，使管壁承受热应力、冲击应力、压应力的作用，长期的应力作用会使枝型通道管壁发生疲劳损伤事故。而对于海洋条件下核动力***，其管路布置空间受限，并且工作环境苛刻，在海洋风浪的影响下，发生横倾、纵倾、横摇、纵摇等运动。当管路做摇摆运动时，引起切向惯性力、法向惯性力和科式惯性力，惯性力的作用下会使得枝型通道内热分层现象变得复杂多变，进一步增加枝型通道疲劳损伤的可能性。因此，有必要改善由于冷热流体混合造成的枝型通道内热分层问题。

现有公开的专利CN209876180U提供了一种防冷热交混热疲劳的管道结构，在支管出口端、主管内设置有导流管，导流管与主管管壁存在间隙，使得冷热流体交界面在主管中间，而不与管道壁面发生接触，能够减少支管流体对管壁的冲击，但是热分层现象依然明显，且温度波动较大，特别是对于导热系数大的流体，温度波动会传递到壁面，使得壁面产生较大的热应力。此外，公开专利CN101598258B提供一种降低T型通道热疲劳的装置和方法，在通道内加导热系数大于流体的多孔介质，能够均匀化通道内流场和温度场，有效地减少对管壁的热冲击。但是由于通道内多孔介质的加入，使得流体流经多孔介质后压降损失会很大，这对于对压降敏感的流体输送来说是不利的。

与现有涉及旋转结构的公开专利CN203703464U、CN207750648U、CN1031595A不同的是，本发明涉及海洋核电安全及管道疲劳损伤防护技术领域，尤其用于内部有不同温度流体混合的枝型通道。本发明中改善枝型通道内热分层现象的结构位于以各管道轴线交点为中心，沿着各管道轴线前后延伸其当量直径的7倍的混合区内，固定件连接在混合区管壁上，且外侧扰动结构可为扰动柱或扰动叶片，扰动结构上可开有微孔或微槽以减小旋转时带来的压降损失。本发明主要用于减少支管射流冲击和均匀化枝型通道内流体的流场和温度场，从而改善枝型通道内热分层现象。同时，本发明对外侧扰动结构进行优化设计，有效缓解现有公开专利中存在的压降损失问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善枝型通道内热分层现象的结构及方法，其特征在于能够有效减小支管射流对主管的冲击作用，均匀化冷热流体混合过程中流场、温度场的波动，改善枝型通道由于冷热流体混合造成的热分层现象，从而抑制枝型通道的疲劳损伤。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

为了达到上述目的，本发明实施例的技术方案为提供一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于包括至少一个枝型结构，枝型结构由两根管道连接而成，两根管道的不同流体在枝型通道混合区发生混合；由固定件、旋转轴和外侧扰动结构组成的扰动装置径向垂直或轴向平行于主管轴线布置在枝型通道混合区内，固定件连接在混合区管壁上，在固定件上穿设旋转轴，外侧扰动结构径向连接在旋转轴上，可为扰动叶片或扰动柱，扰动叶片上开有贯通微孔或微槽，扰动柱以叉排、顺排等方式径向连接在旋转轴上。

本发明还提供一种改善枝型通道内热分层现象的方法，其特征在于，在枝型通道混合区内径向垂直或轴向平行布置结构时，两股流体冲击外侧扰动结构，带动旋转轴一起绕固定件旋转，进而扰动枝型通道内的流体。一方面减少支管流体对主管的冲击，另一方面加速冷热流体的混合，均匀化流体的流场和温度场，从而有效地改善枝型通道内热分层现象。同时，外侧扰动结构上存在供流体贯通的微孔、微槽或间隙，能够有效地减少流体的压降损失。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供一种改善枝型通道内热分层现象的结构及方法，在枝型通道混合区内安装固定件、旋转轴及外侧扰动结构，在冷热流体的冲击下，外侧扰动结构与旋转轴绕固定件旋转，改变枝型通道内流体流动状态，一方面减少支管流体对主管的冲击，另一方面加速冷热流体的混合，均匀化流体的流场和温度场，均匀化温度场和流场，从而改善枝型通道内热分层现象，抑制疲劳损伤事故的发生。与现有涉及旋转技术的公开专利CN203703464U、CN207750648U、CN1031595A相比，本发明涉及海洋核电安全及管道疲劳损伤防护技术领域，尤其用于内部有不同温度流体混合的枝型通道，枝型通道由用于核电领域的316LN奥氏体不锈钢制成；本发明中改善枝型通道内热分层现象的结构可径向垂直于主管轴线布置，还可轴向平行于主管轴线布置，且外侧扰动结构可为扰动柱和扰动叶片，并在扰动结构上开有微孔和微槽；本发明主要用于减少支管射流冲击和均匀化枝型通道内流体的流场和温度场，从而改善枝型通道内热分层现象。本发明相比公开的专利CN209876180U通道内加装导流管的方法，既能减少支管射流直接对管壁的冲击又能均匀化通道内的温度场和流场，减少管壁热应力的产生。相比公开专利CN101598258B通道内添加多孔介质的方法，本发明旋转轴的轴向长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径，在保证强度的同时也避免对了对流体造成较大的压降损失；外侧扰动结构的当量直径为主管当量直径的0～1倍，其轴向长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径，保证外侧扰动结构有足够大的受冲击面积，外侧扰动结构上存在供流体贯通的微孔、微槽或间隙，能够有效地减少流体的压降损失；在流体冲击的情况下，混合区内的外侧扰动结构及旋转轴绕固定件转动，对冷热流体的混合进行扰动，使得冷热流体更加均匀地混合，达到抑制流场、温度场的波动、改善枝型通道内热分层现象的效果。

附图说明

图1-1是本发明提供的一种径向垂直布置结构的正视图；

图1-2是本发明提供的一种径向垂直布置结构的侧视图；

图1-3是本发明提供的一种径向垂直布置结构的俯视图；

图2-1是本发明提供的一种轴向平行布置结构的正视图；

图2-2是本发明提供的一种轴向平行布置结构的侧视图

图2-3是本发明提供的一种轴向平行布置结构的俯视图

图3是本发明径向垂直布置实施例的冷热流体混合过程示意图；

图4是无扰动结构枝型通道内截面z＝0瞬时温度云图；

图5是有扰动结构枝型通道内截面z＝0瞬时温度云图；

图6是无扰动结构枝型通道内截面x/D＝0、1、2、3和4平均温度云图；

图7是有扰动结构枝型通道内截面x/D＝0、1、2、3和4平均温度云图；

图8是有无扰动结构枝型通道内z＝0，x/D＝1和2位置平均温度分布对比图；

图9是有无扰动结构枝型通道内z＝0，x/D＝1和位置均方根温度分布对比图；

图10是有无扰动结构与多孔介质条件下枝型通道内不同截面间的压降对比图。

附图标记说明：

1-主管；2-支管；3-固定件；4-旋转轴；5-外侧扰动结构；6-微孔；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围：

本发明提供的一种径向垂直布置改善热分层现象的结构的三视图参见图1-1、图1-2、图1-3。所述结构径向垂直于主管1的轴线，布置在枝型通道混合区内冷热流体交汇处，其长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径，保证能够充分扰动冷热流体，固定件3两端径向垂直连接在混合区内管壁上。本发明提供的一种轴向平行布置改善热分层现象的结构的三视图参见图2-1、图2-2、图2-3。所述结构轴向平行于主管1的轴线，一端布置在枝型通道混合区内冷热流体交汇处，另一端平行于主管轴线布置，其长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径，保证能够充分扰动冷热流体，固定件3一端径向垂直连接在管壁上，另一端轴向平行于主管1轴线布置。在径向垂直合轴向平行布置结构中，固定件3支撑旋转轴4及外侧扰动结构5，旋转轴4与固定件3转动连接；枝型通道的主管1和支管2横截面都是正方形，支管2垂直连接在主管1上并与主管1相通，主管1进口为热流体，支管2进口为冷流体，冷热流体在枝型通道内混合；旋转轴4穿设在固定件3上，旋转轴4轴向长度不大于主管1当量直径，不小于支管2当量直径，能够绕固定件3自由旋转；外侧扰动结构5可为直矩形扰动叶片，径向连接旋转轴4上，叶片个数不小于1，叶片轴向长度不大于主管1当量直径，不小于支管2当量直径；外侧扰动结构5上开有减小流体压降损失的圆形微孔6，以叉排的方式排列在扰动叶片上。对于径向垂直或轴向平行两种布置方式的结构，改善枝型通道内热分层现象的方法都为：枝型通道混合区内外侧扰动结构5在冷热流体的冲击下发生旋转，带动旋转轴4绕固定件3转动，既扰动枝型通道内流场和温度场，减少支管射流对主管管壁的冲击，又加速冷热流体的混合，均匀化流体流场和温度场的波动，进而改善枝型通道结构的热疲劳损伤。因此，下面只结合径向垂直布置方式的实施例进行详细说明：

本发明径向垂直布置方式的实施例的冷热流体混合过程示意图如图3所示，枝型通道主管和支管截面为正方形，主管边长为D，支管边长为d，主管支管边长比为D/d＝2，主管上下游距离分别为10D和20D，支管上游距离为10d；该实施例中改善枝型通道内热分层现象的结构径向垂直安装在主管轴线和支管轴线交汇处。如权利要求13所述，旋转轴的当量直径大于固定件的当量直径，其轴向长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径。该实施例旋转轴为空心圆柱，其当量直径为D_a＝0.083D，轴向长度为l_a＝D。如权利要求14所述，外侧扰动结构的当量直径为主管当量直径的0～1倍，其轴向长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径。该实施例外侧扰动结构为两个扰动叶片，扰动叶片直径为D_b＝0.67D，扰动叶片长度为l_b＝D。主管和支管的进口温度分别为T_m＝343.48K和T_b＝296.78K，主管和支管的进口速度分别为V_m＝0.15m/s和V_b＝0.3m/s。

通过大涡模拟方法对有无扰动结构的枝型通道内冷热流体混合过程进行数值模拟，获得如图4和图5所示的无扰动结构与有扰动结构枝型通道内截面z＝0的瞬时温度云图，以及图6和图7所示的无扰动结构与有扰动结构枝型通道内截面x/D＝0、1、2、3、4、5和6的平均温度云图。分析图4可得，无扰动结构时，支管射流进入主管直接冲击到主管下壁面，对下壁面造成一定的冲击作用；而如图5所示，加入扰动结构后，支管射流进入主管后，在扰动叶片的扰动及阻挡下，可有效地减小支管射流对主管下壁面的冲击。同时对比图6和图7，结果表明在扰动结构的旋转扰动作用下，枝型通道内的平均温度分布更加均匀，明显地改善枝型通道内热分层现象。

提取z＝0，x/D＝1和2中心线上平均温度T_avg和均方根温度T_rms进行定量分析，研究混合区内温度梯度及温度波动特性。图8为有无扰动结构枝型通道内z＝0，x/D＝1和2中心线上平均温度分布，结果表明，有扰动结构枝型通道内温度梯度明显小于无扰动结构的情况，温度分布更加均匀，在扰动结构的旋转扰动下，冷热流体混合充分。图9为有无扰动结构枝型通道内z＝0，x/D＝1和2中心线上均方根温度分布，结果表明，有扰动结构的均方根温度整体上小于无扰动结构的情况，同时均方根温度分布更加均匀。图10是有无扰动结构与多孔介质条件下枝型通道内截面x/d＝-2与不同截面x/d＝1、2、4之间的压降ΔP对比图，结果表明，加入扰动结构后压降相比无扰动结构有所增大，但远远小于加入多孔介质产生的压降损失。

综上所述，本发明提供的一种改善枝型通道内热分层现象的结构及方法一方面能够有效地减小支管射流对主管下壁面的冲击，同时不会产生过大的压降损失；另一方面能够扰动枝型通道内的流体，加速冷热流体混合，均匀化通道内温度场，明显改善枝型通道内热分层现象。

Claims (15)

1.一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述结构布置在枝型通道混合区内，由固定件、旋转轴及外侧扰动结构组成，固定件连接在枝型通道的混合区管壁上，用于支撑旋转轴及连接在旋转轴上的外侧扰动结构，旋转轴及外侧扰动结构在流体的冲击下在混合区内绕固定件旋转。

2.如权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道包含至少一个由两根管道连接而成的枝型结构，其中一根为主管，另一根为支管，主管与支管直径比大于1，主管和支管分别输送不同温度流体，支管以任意角度相贯连接在主管某处并于主管相通，管道截面可为矩形、圆形和椭圆形等任意形状，管道由具有良好的焊接性和抗应力腐蚀裂纹能力的材料如316LN奥氏体不锈钢制成。

3.如权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道的混合区为以各管道轴线交点为中心，沿着各管道轴线前后延伸其当量直径的7倍的管内区域。

4.如权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述结构位于枝型通道混合区内，可径向垂直或轴向平行于主管轴线布置。

5.如权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道内的固定件连接在枝型通道的混合区管壁上，可为空心或实心柱体，由金属或非金属材料制成。

6.如权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道内的旋转轴穿设在固定件上，与固定件转动连接，绕固定件旋转，可为空心或实心柱体，由金属或非金属材料制成。

7.如权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道内外侧扰动结构能够在流体的冲击下带动旋转轴绕固定件自由旋转，外侧扰动结构连接在旋转轴上，可为扰动叶片、扰动柱。

8.权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道内扰动叶片的个数不少于2，形状可为直矩形、圆形、扇形、螺旋形等任意形状或以上形状任意组合。

9.权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道内扰动叶片上开有任意形状的贯通微孔、微槽，微孔以叉排、顺排等方式排列在叶片上。

10.权利要求1所述的一种改善枝型通道内热分层现象的结构，其特征在于，所述枝型通道内扰动柱之间留有间隙供流体贯通以减少压降损失，扰动柱可以叉排、顺排等方式径向连接在旋转轴上。

11.一种改善枝型通道内热分层现象的方法，其特征在于，所述方法通过在枝型通道内混合区内布置固定件、旋转轴、外侧扰动结构，以减少支管射流冲击和均匀化枝型通道内流体的流场和温度场，从而改善枝型通道内热分层现象。

12.权利要求11所述的一种改善枝型通道内热分层现象的方法，其特征在于，所述方法中的固定件连接在枝型通道内混合区管壁上，起到固定支撑旋转件及外侧扰动结构的作用。

13.权利要求11所述的一种改善枝型通道内热分层现象的方法，其特征在于，所述方法中的旋转轴的当量直径大于固定件的当量直径，其轴向长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径，起到联接外侧扰动结构并绕固定件自由旋转的作用。

14.权利要求11所述的一种改善枝型通道内热分层现象的方法，其特征在于，所述方法中的外侧扰动结构的当量直径为主管当量直径的0～1倍，其轴向长度不大于主管的当量直径，不小于支管的当量直径，在受到流体冲击后起到带动旋转轴绕固定件旋转的作用。

15.权利要求11所述的一种改善枝型通道内热分层现象的方法，其特征在于，所述方法中的外侧扰动结构上开有贯通微孔、微槽或留有间隙，起到疏导流体减少压降损失的作用。

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