水介質(zhì)下的溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間仿真

摘要:反應(yīng)堆一回路冷卻劑溫度是電站的重要監(jiān)測(cè)參數(shù)，通常采用熱電阻溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,。響應(yīng)時(shí)間是熱電阻溫度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。為獲取正確的響應(yīng)時(shí)間數(shù)值，對(duì)熱電阻溫度計(jì)水介質(zhì)下響應(yīng)時(shí)間仿真與試驗(yàn)進(jìn)行了探究,。基于反應(yīng)堆一回路冷卻劑的溫度變化場(chǎng)景,通過(guò)控制變量方法對(duì)典型不同測(cè)量工況(溫度,、流速,、壓力)條件下的熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間開(kāi)展仿真分析。通過(guò)仿真分析,，不同測(cè)量工況對(duì)傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響和變化規(guī)律,。驗(yàn)證了熱電阻溫度計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性?？梢源_保反應(yīng)堆在發(fā)生較大溫度瞬態(tài)變化時(shí),，熱電阻溫度計(jì)能快速、有效響應(yīng)并及時(shí)實(shí)現(xiàn)停堆,。
0引言
　　熱電阻是一種常用的溫度檢測(cè)儀器,。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定,。其中,鉑熱電阻以其測(cè)量精度較高的優(yōu)點(diǎn),不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫,而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀田熱電阻溫度計(jì)的原理是導(dǎo)體電阻隨溫度變化,。在壓水堆電站中,溫度是十分重要的測(cè)量參數(shù)。反應(yīng)堆冷卻劑溫度直接在一回路主管道上采用帶套管的電阻溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,。
　　響應(yīng)時(shí)間是熱電阻溫度計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)田國(guó)內(nèi)對(duì)熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量方法和傳感器結(jié)構(gòu)影響溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間有一定的探究”,但對(duì)于不同測(cè)量工況下的探究仍較少,。因此,有必要開(kāi)展熱電阻溫度計(jì)水介質(zhì)下響應(yīng)時(shí)間仿真與試驗(yàn)探究,以確定水介質(zhì)下熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間的影響因素和變化規(guī)律。這對(duì)于反應(yīng)堆冷卻劑溫度的測(cè)量十分重要,。
　　為了探究在水介質(zhì)下不同測(cè)量工況(溫度,、流速、壓力)對(duì)熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間的影響,基于反應(yīng)堆一回路冷卻劑的溫度變化場(chǎng)景,結(jié)合仿真分析軟件,通過(guò)控制變量方法對(duì)典型工況條件下的熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間開(kāi)展理論分析,。其中:仿真過(guò)程中水介質(zhì).的流速變化區(qū)間為0~10.0m/s;溫度變化區(qū)間為20~80℃ ;壓強(qiáng)變化區(qū)間為0.101~7.1 MPa.
1熱電阻結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)原理
　　套管式鉑熱電阻溫度計(jì)結(jié)構(gòu)一般分為五個(gè)主要部分,，從外到內(nèi)分別是熱電阻溫度計(jì)套管、保護(hù)管,、絕緣填充物,、骨架和鉑電阻絲,。套管的主要作用是在高溫、高壓,、易腐蝕沖擊的管道環(huán)境中保護(hù)熱電阻溫度計(jì),，以防止其受損。保護(hù)管主要用于固定和確保熱電阻溫度計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,。絕緣填充物主要用于絕緣和導(dǎo)熱,。骨架主要用于為鉑電阻絲提供支撐。鉑電阻絲為感溫金屬,。套管式熱電阻溫度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
 
　　熱電阻溫度計(jì)測(cè)溫原理為:由于金屬導(dǎo)體的阻值隨溫度變化而變化,，通過(guò)對(duì)熱電阻溫度計(jì)阻值進(jìn)行測(cè)量,，即可由阻值與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到被測(cè)流體的溫度值。
　　根據(jù)熱電阻溫度計(jì)輸出曲線,，可以判斷其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。假設(shè)熱電阻溫度計(jì)的材料是均勻的,，從溫度為T0的常溫環(huán)境中突然進(jìn)入到溫度為Tf的環(huán)境,經(jīng)過(guò)時(shí)間為τ ,熱電阻溫度計(jì)的溫度為T。
　　熱電阻溫度計(jì)溫度變化曲線如圖2所示,。
 
　　由熱力學(xué)模型可知,，熱電阻溫度計(jì)在流體介質(zhì)中的熱力學(xué)定律為：
 
　　式中:ρ為傳感器前端傳感元件部分密度;c為傳感器.前端部分比熱容;V為傳感器換熱部分體積;A為傳感器前端傳感元件部分面積;h為對(duì)流換熱系數(shù)。
在t = 0,、T= T0的初始條件下,積分求解式(1) ,可得:
 
　　熱電阻溫度計(jì)的時(shí)間常數(shù)τ定義為:當(dāng)溫度到達(dá)總溫度變化63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,。
 
2熱電阻溫度計(jì)仿真模型和流程.
2.1熱電阻溫度計(jì)仿真模型
　　采用Ansys-Fluent軟件,基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法進(jìn)行仿真分析,通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值求解流動(dòng)和傳熱方程，對(duì)包含流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析,。熱電阻溫度計(jì)套管的基本結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示,。
 
　　根據(jù)圖3,建立了如圖4所示的熱電阻溫度計(jì)簡(jiǎn)化模型。
 
　　實(shí)際傳感器結(jié)構(gòu)鉑電阻是作為絲狀纏繞在螺紋骨架上的,。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸相較于整個(gè)模型較小,不易建立網(wǎng)格,所以在此處進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,。簡(jiǎn)化處理包括:去除作為支撐鉑電阻絲的骨架;按照等體積建立鉑電阻圓柱體,以代替鉑電阻絲。
　　對(duì)傳感器所處的流場(chǎng)進(jìn)行流固耦合瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析,并作以下假設(shè),。
①忽略與外部環(huán)境之間的輻射換熱,。
②傳感器與外表面的水介質(zhì)自然對(duì)流換熱，忽略其他環(huán)境影響,。
③忽略通過(guò)測(cè)量引線等零部件的導(dǎo)熱熱損,。
④將熱電阻溫度計(jì)鉑電阻絲骨架簡(jiǎn)化,并省略對(duì)這個(gè)部分的詳細(xì)建模。
2.2熱電阻 溫度計(jì)仿真流程
針對(duì)建立的熱電阻溫度計(jì)測(cè)量管道內(nèi)流體的仿真模型,根據(jù)以下步驟進(jìn)行數(shù)值仿真,。
①網(wǎng)格劃分,。
　　Fluent軟件中,體網(wǎng)格劃分有四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格兩種方式,。本次仿真采用的網(wǎng)格劃分方式為適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格。對(duì)DN100仿真模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,，即四面體網(wǎng)格劃分,。網(wǎng)格模型如圖5所示。
 
 
　　為提高仿真精度,、正確捕捉接觸面的狀態(tài),在流體與壁面接觸面進(jìn)行邊界層設(shè)置,，且對(duì)需要觀察的位置進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分后,，必須檢查網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣,。
②流動(dòng)模型選擇。
　　根據(jù)流體工況參數(shù),可確定流動(dòng)是層流流動(dòng)還是湍流流動(dòng),。其判斷依據(jù)通常為雷諾數(shù)的大小,。
③材料設(shè)置。
　　根據(jù)熱電阻溫度計(jì)的各部分實(shí)際材料,從Fluent材料數(shù)據(jù)庫(kù)中分別進(jìn)行固體材料和液體材料添.加,。對(duì)于材料庫(kù)中不存在的材料,可根據(jù)所需材料的物性參數(shù)自定義材料,。進(jìn)行材料匹配設(shè)置如下:外層為石棉;套管為316L;內(nèi)部護(hù)套為二氧化硅;填充物為氧化鎂;鉑電阻為鉑;流體為水/水蒸氣。
④設(shè)置邊界條件,。
　　邊界條件包括入口邊界條件,、出口邊界條件和壁面邊界條件。仿真中提供的工況參數(shù)為:入口邊界條件設(shè)置為速度入口邊界條件,按照實(shí)際工況進(jìn)行入口流速,、流體溫度等參數(shù)設(shè)置;出口邊界條件設(shè)置為壓力出口,采用默認(rèn)壓力出口設(shè)置;壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界,并對(duì)流體壁面與流體之間的對(duì)流換熱系數(shù)以及熱電阻溫度計(jì)與環(huán)境間的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行設(shè)置,。
⑤求解方法選擇。
　　求解方法有四種,分別為壓力耦合方程的半隱式法( semi- implicit-method for pressure linked equations,SIMPLE),、一致性壓力耦合方程的半隱式法(semi-implicit-method for pressure linked equations consistent,SIMPLEC),、壓力-隱式分裂算子(pressure - -implicit withsplitting of operators, PISO)和Coupled。 前三種為分離求解方法,。第四種為耦合求解方法,。分離求解方法主要用于不可壓縮流動(dòng)和可壓縮性不強(qiáng)的流動(dòng)。耦合求解方法主要用于高速可壓縮流動(dòng),。采用分離求解和耦合求解相結(jié)合的方法,。
⑥數(shù)據(jù)初始化。
　　為獲得熱電阻溫度計(jì)溫度變化瞬態(tài)曲線,仿真類型屬于瞬態(tài)仿真,。仿真選擇相應(yīng)方法進(jìn)行初始化,，并據(jù)根據(jù)實(shí)際工況中流體的三維方向的速度分量、模型的溫度等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置,。
⑦仿真計(jì)算,。
　　仿真計(jì)算需要設(shè)置迭代次數(shù)、時(shí)間間隔和最大迭代步數(shù),。其中,時(shí)間間隔選取依據(jù)為比特征長(zhǎng)度除以特征速度所得的時(shí)間小--至二個(gè)量級(jí),，且選取得越小,，仿真精度越高,對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求也越高。最大迭代步數(shù)一般取5~10為理想值,。迭代次數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取,。設(shè)置完成后,即可開(kāi)始仿真計(jì)算得到熱電阻溫度計(jì)的溫度變化曲線。
　　根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試需求,建立了如圖6所示的試驗(yàn)測(cè)量工裝,。
 
　　試驗(yàn)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)為內(nèi)徑98mm,。以試驗(yàn)工裝為模型對(duì)象，根據(jù)試驗(yàn)管道參數(shù)和工程現(xiàn)場(chǎng)管道參數(shù)建立了等效的管道直徑DN100的仿真模型,。
3響應(yīng)時(shí)間影響因 素仿真結(jié)果分析
　　在管道直徑DN100的情況下對(duì)響應(yīng)時(shí)間影響因素開(kāi)展分析,。其中,DN100管徑作為試驗(yàn)管徑,其仿真內(nèi)容包括水介質(zhì)仿真,以探究不同介質(zhì)、不同測(cè)量工況(流速,、溫度,、壓強(qiáng))對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。以下詳細(xì)分析水介質(zhì)的流體流速,、溫度和壓強(qiáng)這三個(gè)因素對(duì)響應(yīng)時(shí)間仿真結(jié)果的影響,。
　　熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間隨流速變化的仿真結(jié)果如圖7所示。
 
　　圖7中:仿真介質(zhì)為水;壓強(qiáng)為0.101MPa;流體溫
度為20℃,。
　　由圖7可知,響應(yīng)時(shí)間隨著流體流速增加呈下降趨勢(shì),。根據(jù)傳熱角度分析可知,對(duì)流換熱系數(shù)與流體流速成正比。因此,流速越大,對(duì)流換熱系數(shù)越大,則流體與熱電阻溫度計(jì)之間換熱效果越好,熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)也越快,。.
　　熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間隨溫度變化的仿真結(jié)果如圖8所示。
 
　　圖8中:管道壓強(qiáng)為0.101 MPa;流速為1 m/s,。
　　由圖8可知,響應(yīng)時(shí)間隨著流體溫度增加呈階段性下降趨勢(shì),。其原因在于水的物性參數(shù)隨溫度變化不明顯,只有在溫度變化達(dá)到一定程度時(shí)才逐漸顯現(xiàn)其.溫度影響。由不同溫度下的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知,對(duì)流換熱系數(shù)隨溫度升高而增加,但是增加速度較為緩慢,。這體現(xiàn)了響應(yīng)時(shí)間隨溫度升高階段性下降的特點(diǎn),。
　　對(duì)流換熱系數(shù)隨溫度變化曲線如圖9所示。
 
　　熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間隨壓強(qiáng)變化的仿真結(jié)果如圖10所示,。
 
圖10中:仿真介質(zhì)為水;溫度為20 C;流速為1 m/so
由圖10可知,響應(yīng)時(shí)間隨著壓強(qiáng)增加不發(fā)生變化,。其原因在于水作為不可壓縮流體，其物性參數(shù)基本不隨壓強(qiáng)增加而產(chǎn)生變化,。
4仿真結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證
4.1水介質(zhì)試驗(yàn)工況
　　為了驗(yàn)證幾何模型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性,采用實(shí)驗(yàn)室方法與仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證,。在水介質(zhì)中采用插入法在不同流速下進(jìn)行測(cè)量。依據(jù)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)的相關(guān)要求,測(cè)量特定水介質(zhì)三個(gè)工況條件下的熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間,。具體為:在水介質(zhì)中,溫度為75℃和常壓時(shí),，不同溫度工況、不同流速工況,、不同壓力工況的流速分別為0.4 m/s,、0.6 m/s,、1.0 m/s.
4.2水流式熱響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)裝置
水流式熱響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)裝置由初溫恒溫槽、旋轉(zhuǎn)式恒溫槽,、數(shù)據(jù)采集器,、計(jì)算機(jī)四個(gè)主要部分組成。其工作原理及過(guò)程如下,。
①初溫恒溫槽設(shè)置為常溫(通常為20℃) ,通過(guò)標(biāo)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制旋轉(zhuǎn)式恒溫槽的介質(zhì)溫度和流速,，以達(dá)到預(yù)定值并保持穩(wěn)定。
②鉑電阻溫度計(jì)信號(hào)端子連接至數(shù)據(jù)采集器,，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量端溫度,。
③鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)溫端置于初溫恒溫槽中一段時(shí)間,以保持?jǐn)?shù)據(jù)采集器顯示的鉑電阻溫度計(jì)溫度穩(wěn)定。
④鉑電阻溫度計(jì)從初溫恒溫槽中快速取出,并置于旋轉(zhuǎn)式恒溫槽中,。
⑤觀察數(shù)據(jù)采集器顯示的鉑電阻溫度計(jì)的溫度階躍變化,記錄鉑電阻溫度計(jì)的熱響應(yīng)時(shí)間(?0.632)三種工況下得到的誤差值均在3.5%以內(nèi),。試驗(yàn)與仿真的誤差是由于試驗(yàn)中參數(shù)測(cè)量與控制和仿真模型之間不能完全等效造成的,但兩者具有相同的變化趨勢(shì)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果證明了熱電阻方案和工裝.試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇约安捎么朔抡娣椒ǖ倪m用性和可行性,為進(jìn)一步探究在其他具體工況下的響應(yīng)時(shí)間奠定基礎(chǔ),。
5結(jié)論
　　對(duì)應(yīng)用于測(cè)量反應(yīng)堆一回路冷卻劑的熱電阻溫度計(jì)進(jìn)行了響應(yīng)時(shí)間探究,。通過(guò)熱電阻溫度計(jì)水介質(zhì)下響應(yīng)時(shí)間數(shù)值仿真與試驗(yàn),探究了不同溫度、不同流速,、不同壓力工況下對(duì)傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響和變化規(guī)律,。采用實(shí)驗(yàn)室方法與仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。探究結(jié)果對(duì)探究具體工況下的熱電阻溫度計(jì)響應(yīng)時(shí)間有重大意義,可以確保反應(yīng)堆在發(fā)生較大溫度瞬態(tài)變化時(shí),反應(yīng)堆熱電阻溫度計(jì)能快速,、有效響應(yīng)并及時(shí)實(shí)現(xiàn)停堆,。