本發(fā)明涉及反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種反應(yīng)堆壓力容器等內(nèi)表面建有堆焊層的核一級(jí)設(shè)備堆焊層等效換熱系數(shù)的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

反應(yīng)堆壓力容器等核一級(jí)設(shè)備的內(nèi)表面通常建有堆焊層，可以起到防腐蝕的作用。但是通常堆焊層比較薄，只有筒體壁厚的1/30左右，這給有限元建模帶來了一定的困難，如果筒體網(wǎng)格尺寸過大，在堆焊層和筒體之間將出現(xiàn)網(wǎng)格尺寸突變，會(huì)帶來計(jì)算誤差，而如果筒體網(wǎng)格尺寸過小，又會(huì)造成計(jì)算量過大的問題。

rcc-m3172中規(guī)定，在評(píng)價(jià)應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)不需要考慮堆焊層，但在進(jìn)行壓力溫度瞬態(tài)載荷計(jì)算時(shí)需要考慮堆焊層對(duì)熱分析的影響。因此，通常在有限元分析中，有限元模型上不建堆焊層，將壓力和溫度瞬態(tài)直接作用于容器的內(nèi)表面，而堆焊層結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響則通過等效換熱系數(shù)的形式考慮。

對(duì)于堆焊層等效換熱系數(shù)，日本、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)都有各自的計(jì)算方法，目前可以查到的有日本和德國(guó)的計(jì)算公式，但對(duì)于公式的推導(dǎo)方法則無法查到。從日本和德國(guó)的計(jì)算公式的形式上來看，其計(jì)算過程都是建立在穩(wěn)定導(dǎo)熱的假設(shè)基礎(chǔ)上，而實(shí)際上在對(duì)反應(yīng)堆壓力容器等核一級(jí)設(shè)備做熱分析時(shí)，溫度瞬態(tài)一般都是隨著時(shí)間在不斷地變化的，屬于不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題。

國(guó)內(nèi)針對(duì)核設(shè)備的等效換熱系數(shù)的方法暫時(shí)還沒有資料可查，在其他工程領(lǐng)域中，關(guān)于等效換熱系數(shù)的理論計(jì)算方法的研究通常是基于熱對(duì)流、傳輸微分方程，計(jì)算出總的換熱量，再假設(shè)溫度隨壁厚的梯度變化函數(shù)，從而利用換熱系數(shù)的定義進(jìn)行推導(dǎo)。但是對(duì)于不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題，當(dāng)邊界條件比較復(fù)雜時(shí)，熱對(duì)流、傳輸?shù)钠⒎址匠毯茈y得到理論解，因此，更多的時(shí)候是借鑒于實(shí)驗(yàn)手段獲取等效換熱系數(shù)，很顯然，采用實(shí)驗(yàn)方式獲得數(shù)據(jù)十分不便，即研究一種適用于不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題，當(dāng)邊界條件比較復(fù)雜時(shí)的等效換熱系數(shù)計(jì)算方法十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題提供一種核一級(jí)設(shè)備堆焊層等效換熱系數(shù)的計(jì)算方法。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

考慮到堆焊層厚度相比于筒體內(nèi)徑非常薄，因此將堆焊層和筒壁部分假設(shè)為一個(gè)大平板，同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，從而更方便于工程運(yùn)用，本方法中將問題簡(jiǎn)化為一維情形。

一種核一級(jí)設(shè)備堆焊層等效換熱系數(shù)的計(jì)算方法，包括以下步驟：

a、根據(jù)牛頓冷卻定律，確定在任意時(shí)刻τ下，初始熱流密度q與初始時(shí)刻環(huán)境溫度為tf1、初始堆焊層內(nèi)表面溫度tw1和初始設(shè)備內(nèi)表面的溫度tw2之間的關(guān)系；

b、在τ+dτ時(shí)刻環(huán)境溫度升溫到tf2，根據(jù)牛頓冷卻定律確定τ+dτ時(shí)刻熱流密度q+dq與環(huán)境溫度tf2、堆焊層內(nèi)表面溫度tw1+dtw1、設(shè)備內(nèi)表面溫度tw2+dtw2之間的關(guān)系；

c、確定出堆焊層內(nèi)部在dτ時(shí)間段內(nèi)由于升溫產(chǎn)生的焓增值dh；利用焓增值dh與dτ時(shí)間段內(nèi)堆焊層內(nèi)流過的熱量增量相同這一關(guān)系，推導(dǎo)出熱流量密度增量dq與堆焊層內(nèi)部平均溫度升高值dtw之間的關(guān)系；

d、考慮dτ為微小的時(shí)間增量，確定堆焊層等效換熱系數(shù)αeq(τ)。

本方法建立在不穩(wěn)定導(dǎo)熱的假設(shè)基礎(chǔ)上，在計(jì)算推導(dǎo)過程中充分考慮了溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化，這與實(shí)際熱分析時(shí)的溫度瞬態(tài)隨時(shí)間變化情形更接近，能夠更好的反映出堆焊層對(duì)傳熱的影響。

作為優(yōu)選，還包括步驟e:根據(jù)等效換熱系數(shù)αeq(τ)模擬出壓力容器筒體上的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的分布情況，從而確定熱應(yīng)力。

在利用有限元軟件ansys計(jì)算溫度瞬態(tài)載荷產(chǎn)生的熱應(yīng)力時(shí)，有限元模型上不需要建立堆焊層，將溫度瞬態(tài)以對(duì)流方式直接加載到筒體內(nèi)表面上，對(duì)流換熱系數(shù)采用上述步驟計(jì)算得到的與溫度時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的αeq(τ)，利用ansys自帶的熱分析模塊就可以模擬出壓力容器筒體上的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的分布情況，從而計(jì)算得到熱應(yīng)力。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明的方法基于不穩(wěn)定導(dǎo)熱的前提，考慮到堆焊層比較薄，提出了由于環(huán)境溫度變化造成的堆焊層和設(shè)備內(nèi)表面的溫度增量相同的假設(shè)，從而計(jì)算出了堆焊層內(nèi)部焓增量與對(duì)流熱流量之間的關(guān)系，確定了堆焊層對(duì)傳熱的影響，從而確定了等效換熱系數(shù)，更符合設(shè)備運(yùn)行時(shí)的實(shí)際情形。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：

圖1為熱傳導(dǎo)過程示意圖。

附圖中標(biāo)記及對(duì)應(yīng)的零部件名稱：

1-堆焊層，2-筒體。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例

結(jié)合圖1，一種核一級(jí)設(shè)備堆焊層等效換熱系數(shù)的計(jì)算方法，包括以下步驟：

a、根據(jù)牛頓冷卻定律，確定時(shí)刻τ下初始熱流密度q與初始時(shí)刻環(huán)境溫度為tf1、初始堆焊層1內(nèi)表面溫度tw1和初始設(shè)備2內(nèi)表面的溫度tw2之間的關(guān)系；

該步驟的具體確定過程如下：假設(shè)在任意時(shí)刻τ，堆焊層內(nèi)表面處的初始熱流量密度為q，根據(jù)牛頓冷卻定律，有：

q＝α1(τ)(tf1-tw1)

q＝λ(τ)(tw1-tw2)/δ

q＝αeq(τ)(tf1-tw2)，

其中，α1為堆焊層內(nèi)表面的換熱系數(shù)，λ為堆焊層材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，αeq為堆焊層等效換熱系數(shù)，δ為堆焊層的厚度。

因此在τ時(shí)刻有：

b、若在τ+dτ時(shí)刻，環(huán)境溫度突然升溫到tf2，則根據(jù)牛頓冷卻定律確定此時(shí)熱流密度q+dq與環(huán)境溫度tf2、堆焊層內(nèi)表面溫度tw1+dtw1、設(shè)備內(nèi)表面溫度tw2+dtw2之間的關(guān)系；

該步驟的具體確定過程如下：

在τ+dτ時(shí)刻，設(shè)備內(nèi)部的流體溫度即環(huán)境溫度升高到tf2，熱流量密度也隨之升高到q+dq，經(jīng)過熱傳導(dǎo)，使得堆焊層內(nèi)表面溫度由原來的tw1升高至tw1+dtw1，設(shè)備內(nèi)表面溫度由原來的tw2升高至tw2+dtw2，則有：

q+dq＝α1(τ+dτ)(tf2-tw1)

q+dq＝λ(τ+dτ)(tw1+dtw1-tw2-dtw2)/δ

q+dq＝αeq(τ+dτ)(tf2-tw2-dtw2)

因此，在τ+dτ時(shí)刻有：

c、由于堆焊層相較于設(shè)備壁厚非常薄，進(jìn)一步假設(shè)堆焊層內(nèi)部溫度的升高是均勻的，即dtw1＝dtw2＝dtw，確定出堆焊層內(nèi)部在dτ時(shí)間段內(nèi)由于升溫產(chǎn)生的焓增值dh。

由于升溫，堆焊層內(nèi)的焓增值為：

dh＝cpρfδdtw；其中，cp和ρ分別為堆焊層材料的比熱容和密度，f為堆焊層內(nèi)表面的面積。

再利用焓增值dh與dτ時(shí)間段內(nèi)堆焊層內(nèi)流過的熱量增量相同這一關(guān)系，即fdq＝dh；推導(dǎo)出熱流量密度增量dq與堆焊層內(nèi)部平均溫度升高值dtw之間的關(guān)系，即

dtw＝dq/(ρcpδ)(3)。

d、考慮dτ為一個(gè)微小的可忽略時(shí)間增量，根據(jù)換熱系數(shù)定義及公式(1)～(3)，確定出等效換熱系數(shù)αeq(τ)。

考慮dτ為微小的時(shí)間增量，認(rèn)為：

聯(lián)立上述過程中給出的公式(1)～(3)，

可以推導(dǎo)出τ時(shí)刻的堆焊層等效換熱系數(shù)計(jì)算公式為：

e:根據(jù)等效換熱系數(shù)αeq(τ)模擬出壓力容器筒體2上的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的分布情況，從而確定熱應(yīng)力。

本方法在不穩(wěn)定導(dǎo)熱的假設(shè)前提下，考慮堆焊層比較薄的特點(diǎn)，假設(shè)環(huán)境溫度變化后，堆焊層和設(shè)備的內(nèi)表面溫度變化一致，利用傳熱學(xué)相關(guān)基本理論，確定了熱流經(jīng)過流體與堆焊層對(duì)流、堆焊層內(nèi)部導(dǎo)熱后所引起的設(shè)備內(nèi)表面溫度的變化，從而利用換熱系數(shù)的定義確定堆焊層的等效換熱系數(shù)。與前人基于穩(wěn)定導(dǎo)熱假設(shè)建立的等效換熱系數(shù)計(jì)算公式相比，本發(fā)明基于不穩(wěn)定導(dǎo)熱情形，考慮了溫度瞬態(tài)隨時(shí)間變化對(duì)傳熱的影響，能夠更準(zhǔn)確地描述出由于環(huán)境溫度變化造成的堆焊層對(duì)傳熱的影響。該方法可以用于利用商用軟件對(duì)核一級(jí)設(shè)備進(jìn)行熱分析的計(jì)算中，簡(jiǎn)化處理由于堆焊層過薄造成的網(wǎng)格劃分困難、計(jì)算量過大等問題。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。