CN101598258A - T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，所述装置由安装于所述T型管道的冷热流体混合区中的多孔介质构成。本发明还公开了一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的方法。本发明通过在T型管道流体混合区中填充多孔介质，约束冷热流体混合过程中的速度波动和温度波动，从而削弱冷热流体对管壁的热冲击，有效降低瞬时温度和时均温度以及温度波动幅度，改善瞬时温度波动的能谱特性，降低T型管道热疲劳。

Description

T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置和方法
技术领域
本发明涉及热疲劳防护技术领域，特别是涉及一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置和方法。
背景技术
在石油化工、航空航天、核电厂和热电厂、暖通空调、液化天然气终端等许多领域都存在大量的T型管道，现有技术的一种三维T型管道冷热流体混合过程如图1所示，其中主管和支管截面都为正方形，主管边长dm为100mm，支管边长db为50mm；主管入口为热水，入口温度Th为343.48K，入口速度为0.15m/s；支管入口为冷水，入口温度Tc为296.78K，入口速度为0.3m/s。在T型管道中的冷热流体混合流动过程中，由于浮升力和惯性力的影响，T型管壁面一时受低温流体冲击，一时受高温流体冲击，其内部的冷热流体混合引起的温度波动，容易诱发T型管道热疲劳，导致T型管道失效，特别是对于高温、高压、剧毒、有放射性流体在T型管道的混合引起的热疲劳，更要受到重视。
发明内容
本发明实施例要解决的问题是提供一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置和方法，以克服现有技术中在T型管道内部的冷热流体混合引起的温度波动容易诱发T型管道热疲劳的缺陷。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，所述装置由安装于所述T型管道的冷热流体混合区中的多孔介质构成。
其中，所述多孔介质固体骨架的导热系数大于流体的导热系数。
其中，所述多孔介质的材料为金属或非金属。
其中，所述多孔介质整体式或堆积式安装到所述T型管道中。
其中，所述多孔介质的孔隙率为2％～98％。
其中，所述多孔介质为紫铜烧结球。
其中，所述冷热流体混合区以各支管轴线交点为中心，向各支管轴线延伸距离为其当量半径的4～12倍。
本发明实施例的技术方案还提供一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的方法，所述方法通过在T型管道的冷热流体混合区中填充多孔介质，以降低所述T型管道的热疲劳。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
本发明通过在T型管道流体混合区中填充多孔介质，约束冷热流体混合过程中的速度波动和温度波动，从而削弱冷热流体对管壁的热冲击，有效降低瞬时温度和时均温度以及温度波动幅度，改善瞬时温度波动的能谱特性，降低T型管道热疲劳。
附图说明
图1为现有技术的一种T型管道冷热流体混合过程示意图；
图2为本发明的一种安装有降低热疲劳装置的T型管道的三视图；
图3为本发明实施例的一种T型管道冷热流体混合过程示意图；
图4为图1过程中的某时刻截面y/db＝0的温度云图和速度矢量图；
图5为图3过程中的某时刻截面y/db＝0的温度云图和速度矢量图；
图6为本发明实施例的主管中有无填充多孔介质情形截面y/db＝0.7的时均无量纲温度对比图；
图7为本发明实施例的主管中有无填充多孔介质情形截面y/db＝0.7的均方根无量纲温度对比图；
图8为本发明实施例的主管中有无填充多孔介质情形三个位置点上的瞬时无量纲温度随时间变化图；
图9为本发明实施例的主管中有无填充多孔介质情形温度变化最大的两个位置点上的瞬时温度平方值的能谱密度图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的方法为：通过在T型管道的冷热流体混合区中填充多孔介质，以降低所述T型管道的热疲劳。其中，T型管道各支管截面形状可以是圆形、矩形和椭圆形，两入口支管和出口支管轴线夹角可以是任意角度，各支管截面积可以不相等，T型管道可以任意放置。该冷热流体可以是同一种流体，也可以是不同种流体，冷热两流体进入各自支管的流动可以是层流也可以是湍流，冷热流体进入各自支管的温度存在温差。
本发明的一种安装有降低热疲劳的装置的T型管道的三视图如图2所示，该降低热疲劳的装置由安装于所述T型管道的冷热流体混合区中的多孔介质构成，所述多孔介质固体骨架的导热系数大于流体的导热系数，孔隙率为2％～98％，材料为金属或非金属，可以整体式或堆积式安装到所述T型管道中。所述冷热流体混合区以各支管轴线交点为中心，向各支管轴线延伸距离为其当量半径的4～12倍。
下面结合实施例对本发明进行详细说明：
本发明实施例的一种T型管道冷热流体混合过程示意图如图3所示，该T型管道的主管和支管截面都为正方形，主管边长dm为100mm，支管边长db为50mm；主管入口为热水，入口温度Th为343.48K，入口速度为0.15m/s；支管入口为冷水，入口温度Tc为296.78K，入口速度为0.3m/s；该降低热疲劳的装置由安装于所述T型管道的冷热流体混合区中的多孔介质构成，本实施例中的多孔介质孔为烧结球，直径为28mm，孔隙率为30％，材料为紫铜，主管中多孔介质的填充位置从x/db＝-3到x/db＝3。
运用计算流体力学方法分别对图1和图3的混合流动进行仿真计算，可以获得如图4所示的图1过程中的某时刻截面y/db＝0的温度云图和速度矢量图，和图5所示的图3过程中的某时刻截面y/db＝0的温度云图和速度矢量图，从图4和图5中可以看出，填充有多孔介质后在主管混合区速度和温度分布都较为均匀。
本发明实施例中根据公式
T i * = T i - T c T h - T c
设定一个瞬时无量纲温度，其中，Ti *是瞬时无量纲温度，Ti是瞬时温度，Tc是冷流体入口温度，Th是热流体入口温度。降低瞬时温度，是指在同一情况下，混合区中填充有多孔介质时的瞬时无量纲温度较没有填充多孔介质时的瞬时无量纲温度小。
本发明实施例中针对有无多孔介质情形，计算某截面上某位置点上的时均无量纲温度。本实施例根据公式
T i * ‾ = 1 N Σ n = 1 N T i *
确定时均无量纲温度，其中，N为时间采样点数，Ti *是瞬时无量纲温度。降低时均温度，是指在同一情况下，混合区中填充有多孔介质时的时均无量纲温度较没有填充多孔介质时的时均无量纲温度小。图6为主管中有无填充多孔介质情形截面y/db＝0.7的时均无量纲温度对比图，从图中可以看出，填充有多孔介质后，同一位置上的时均无量纲温度较没有填充多孔介质的时均无量纲温度小，可见填充有多孔介质可以降低平均温度。
本发明实施例中针对有无多孔介质情形，计算某截面上某位置点上的均方根无量纲温度。本实施例根据公式
T RMS * = 1 N Σ i = 1 N ( T i * - T i * ‾ ) 2
确定均方根无量纲温度，其中，N为时间采样点数，Ti *是瞬时无量纲温度，Ti *是时均无量纲温度。降低温度波动幅度，是指在同一情况下，混合区中填充有多孔介质时的均方根无量纲温度较没有填充多孔介质时的均方根无量纲温度小。图7为主管中有无填充多孔介质情形截面y/db＝0.7的均方根无量纲温度对比图，从图中可以看出，填充有多孔介质后，同一位置上的均方根无量纲温度较没有填充多孔介质的均方根无量纲温度小，可见填充有多孔介质可以减少温度波动幅度。
本发明实施例中针对有无多孔介质情形，从数值结果中提取主管上壁面(z/db＝1)和下壁面上(z/db＝-1)和混合区中瞬时无量纲温度波动幅度最大的点，分析这三个点瞬时无量纲温度随时间变化情况。图8为主管中有无填充多孔介质情形这三个位置点上的瞬时无量纲温度随时间变化趋势图。从图中可以看出，填充有多孔介质后，同一壁面上的瞬时无量纲温度较没有填充多孔介质的瞬时无量纲温度波动幅度小，可见填充有多孔介质可以减少温度波动幅度。
本发明实施例中针对有无多孔介质情形，从数值结果中提取混合区中瞬时温度波动幅度最大两个点，运用快速傅里叶变换，对这两个点的瞬时温度平方值做PSD(Power Spectrum Densities，能谱密度)函数，获得这两个点的PSD与频率之间的关系。改善瞬时温度波动的能谱特性，是指在同一情况下，混合区中填充有多孔介质时的瞬时温度平方值的能谱密度函数PSD较没有填充多孔介质时的瞬时温度平方值的能谱密度函数PSD在某些频域中小。图9为主管中有无填充多孔介质情形温度变化最大的两个位置点上的瞬时温度平方值的能谱密度图。从图中可以看出，在2-3Hz频域范围内，填充有多孔介质的瞬时温度平方值的能谱密度值较没有填充多孔介质的瞬时温度平方值的能谱密度值小很多，可见填充有多孔介质可以有效改善温度波动的能谱特性。
从以上计算和比较结果可以看到，本发明实施例通过在T型管道流体混合区中填充多孔介质，约束冷热流体混合过程中的速度波动和温度波动，从而削弱冷热流体对管壁的热冲击，有效降低瞬时温度和时均温度以及温度波动幅度，改善瞬时温度波动的能谱特性，有效降低T型管道的热疲劳风险，达到防护目的，本发明可为各种T型管道的安全运行提供有效保障。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，其特征在于，所述装置由安装于所述T型管道的冷热流体混合区中的多孔介质构成。
2、如权利要求1所述的T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，其特征在于，所述多孔介质固体骨架的导热系数大于流体的导热系数。
3、如权利要求1所述的T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，其特征在于，所述多孔介质的材料为金属或非金属。
4、如权利要求1所述的T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，其特征在于，所述多孔介质整体式或堆积式安装到所述T型管道中。
5、如权利要求1所述的T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，其特征在于，所述多孔介质的孔隙率为2％～98％。
6、如权利要求1至5任一项所述的T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，其特征在于，所述多孔介质为紫铜烧结球。
7、如权利要求1至5任一项所述的T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置，其特征在于，所述冷热流体混合区以各支管轴线交点为中心，向各支管轴线延伸距离为其当量半径的4～12倍。
8、一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的方法，其特征在于，所述方法通过在T型管道的冷热流体混合区中填充多孔介质，以降低所述T型管道的热疲劳。
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