بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با استفاده از دینامیک سیالاتی محاسباتی، جریان در خط لوله سرج شبیهسازی شده است. جهت جریان از جبران کننده فشار به سمت خط لوله اصلی مدار اول است. پدیده لایه لایه شدن حرارتی جریان بر روی طول عمر لولهها موثر است و باعث ایجاد تنشهای حرارتی بر روی لوله می-گردد. تنش ایجاد شده در نهایت میتواند باعث کاهش عمر لوله گردد .
در این پژوهش وقوع این پدیده در خط لوله سرج، به منظور افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی بررسی شده است و کانتور دما در زمان-های متفاوت جریان ارائه شده است. نتایج نشان میدهد احتمال تشکیل جریان لایهای در قسمت افقی خط لوله سرج، نزدیک جبران کننده فشار بیشتر است و با گذشت زمان جریان لایهای به سمت خط لوله اصلی مدار اول پیشروی میکند.
-1 مقدمه
اگر دو سیال با چگالیهای متفاوت در داخل یک لوله جریان داشته باشند احتمال وقوع پدیده لایه لایه شدن حرارتیٌ جریان وجود دارد. در طی این پدیده قسمت پایین و بالای لوله دماهای متفاوتی را تجربه خواهند کرد. این اختلاف دما در مقطع لوله باعث ایجاد تنش-های حرارتی بر روی لوله میگردد. تنش ایجاد شده در نهایت میتواند باعث کاهش عمر لوله گردد.
در مطالعهی حاضر احتمال وقوع این پدیده در خط لوله اتصال جبران کننده فشار به خط لوله اصلی مدار اول نیروگاه اتمی بوشهر - خط لوله سرج - بررسی شده است. بررسیهای انجام شده نشان دهنده احتمال بالای وقوع این پدیده در خط لوله سرج نیروگاههای اتمی میباشد. این پدیده در دو حالت امکان وقوع دارد. حالت اول زمانی است که سیال نسبتا خنک - با چگالی بالاتر - از خط لوله و از قسمت پایین مقطع لوله و زیر سیال با دمای بالاتر - چگالی پایینتر - که در قسمت بالای آن قرار دارد به سمت جبرانکننده فشار جریان پیدا کند.
در حالت دوم سیال با دمای بالاتر - چگالی پایینتر - از سمت جبران کننده فشار و از روی سیال خنکتر و سنگینتر که در پایین مقطع خط لوله قرار دارد به سمت خط لوله اصلی مدار اول جریان پیدا کند. میزان تمایل جریان سیال به لایه لایه شدن در یک خط افقی به عدد بدون بعد فرودٍ نسبت داده میشود. این عدد نسبت نیروی اینرسی به نیروی گرانشی که بر روی سیال عمل میکند تعریف میشود.
هد شناوری به دلیل وجود اختلاف چگالی بین نواحی گرم و سرد جریان سیال در داخل لوله ایجاد می-شود و مقدار آن ارتباط مستقیم با میزان اختلاف دمای این دو ناحیه دارد. لذا لایه لایه شدن جریان سیال زمانی رخ میدهد که سرعت جریان سیال در داخل خط لوله سرج پایین بوده و اختلاف دما بین مایع قسمت پایین جبران کننده فشار و خط لوله اصلی مدار اول بالا باشد - عدد فرود پایین - . در صورتی که سرعت جریان سیال بالا و اختلاف دما پایین باشد، احتمال وقوع این پدیده کاهش مییابد - عدد فرود بالا - . لذا به دلیل اختلاف دمای بالا بین خط لوله اصلی مدار اول و جبران کننده فشار در مرحله گرم کردن حین راه اندازی سیستم و سرد شدن آن، احتمال وقوع این پدیده بیشتر است
کورتسی [2] نشان داد لایه لایه شدن جریان به اختلاف دما و سرعت نسبی بین دو سیال بستگی دارد. فایدی و همکاران [3] نشان دادند خستگی ایجاد شده در اثر لایه لایه شدن حرارتی باعث محدود کردن طول عمر لولهها میگردد. بوروس و همکاران [4] و [5] با استفاده از کد دینامیک سیالاتی محاسباتی برای تجزیه و تحلیل تنش، پارامترهای هیدرولیکی حرارتی جریان لایهای را به دست آوردند . همچنین توزیع دمای جریان لایهای را نیز با پیشروی زمان به دست آوردند.
جهونگ و چوی [6] با استفاده از مدل المان محدود، تاثیر لایه لایه شدن حرارتی جریان بر روی خط سرج جبران کننده فشار را بررسی و آنالیز تنش و اختلاف دما در جریان لایهای را نیز مورد مطالعه قرار دادند. پوارو [7] به صورت محاسباتی و تجربی لایه لایه شدن حرارتی را بررسی کرد و نشان داد اختلاف دما در یک مقطع در شرایط عملکرد نرمال در محدوده 30 c تا 150 c تغییر میکند.
پوارو و همکاران [8] تحلیل جامعی بر روی قسمت افقی خط لوله سرج انجام دادند. تنش و تغییر شکل ایجاد شده بر اثر لایه لایه شدن جریان در طول بارگذاریهای سیکلی بر روی فلز بررسی کردند. نتایج تجربی توزیع دما در قسمت افقی خط لوله سرج در بارگذاری به دست آوردند همچنین نشان دادند بیشترین تاثیر لایه لایه شدن حرارتی در اولین مقطع افقی از جبران کننده فشار مشاهده میشود. با استفاده از نتایج تجربی و محاسباتی و ارزیابی تاثیر فاکتورهای بارگذاری حرارتی بر روی ناحیه تحت تنش و تغییر شکل خط لوله سرج، ناحیهای که بیشترین آسیب وارده را متحمل میگردد، مشخص کردند.
-2 ضرورت انجام پژوهش
جریان لایهای باعث ایجاد توزیع دمای غیر خطی در سطح مقطعهای مختلف خط لوله سرج میشود. در برخی از این سطح مقطعها در محل تغییر لایه جریان از گرم به سرد، دما دچار تغییر ناگهانی میشود. این تغییر ناگهانی دما در سطح مقطع باعث ایجاد تنش در داخل ضخامت لوله میگردد. این تنشها بر روی طول عمر لوله موثر است و در مواردی باعث ایجاد ترک در لوله میگردد، به همین علت ضروریست احتمال وقوع این پدیده در خط لوله سرج نیروگاه اتمی بوشهر مورد نظر با شرایط کارکردی آن بررسی گردد.
-3 تعریف مسئله و شرایط مرزی
در این پژوهش جریان در خط لوله سرج نیروگاه اتمی بوشهر به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه مورد بررسی مطابق شکل 1 نشان داده شده است. این بررسی عددی به صورت گذرا و با استفاده از کد تجاری نرمافزار فلوئنت انجام شده است. از روش فشار مبنا برای حل استفاده شده است. همچنین برای حل همزمان میدان سرعت و فشار از روش کوپل و برای گسستهسازی ترم جابجایی از روش بالادستَ مرتبه دوم استفاده گردیده است. شبکهبندی این هندسه شامل 589960 مش است.
شکل:2 نمایی از شبکهبندی مقطع خط لوله
-4 نتایج و بحث
این پژوهش به بررسی پدیده لایه لایه شدن حرارتی در خط لوله سرج نیروگاه اتمی بوشهر با گذشت زمان پرداخته است. شکل 3 کانتور دما در زمان 300 s جریان را نشان میدهد.
