膜式水冷壁传热边界条件反演

论文摘要

膜式水冷壁是电站锅炉的主要受热面之一,其工作条件和工作性能对电站锅炉运行的安全性和经济性均有直接影响。膜式水冷壁的传热边界条件主要包括水冷壁向火侧辐射热流分布、水冷壁管内汽水介质温度及管内的对流换热系数。获得上述传热边界条件是采用数值模拟方法掌握膜式水冷壁金属温度分布、向火侧危险点位置与温度等相关信息的基本前提,同时也是电站锅炉运行状态分析与监测的必要条件或必要内容。膜式水冷壁的传热边界条件难以直接测量,根据膜式水冷壁的局部可测量壁温,采用传热学反问题研究方法确定膜式水冷壁的传热边界条件,是一种比较有效的技术方案。针对电站锅炉膜式水冷壁传热边界条件反演研究的现状及存在的主要问题,本文采用共轭梯度法(CGM)研究了膜式水冷壁传热边界条件的反演问题,主要工作包括:1)建立了电站锅炉膜式水冷壁传热过程的数学模型,采用有限体积法对导热微分方程进行离散,对离散后的代数方程组进行迭代求解,并对其适用性作了验证;通过数值仿真实验分析了不同传热边界条件对水冷壁金属温度分布、最高壁温点以及壁温水平的影响;2)介绍了共轭梯度法的基本思想;结合第二章的膜式水冷壁传热过程(正问题),以膜式水冷壁向火侧局部辐射热流q0、水冷壁管内汽水介质温度tf及水冷壁管内换热系数h三个组合参数为待反演参数,利用共轭梯度法(CGM)建立了膜式水冷壁传热边界条件的同时反演模型;3)对膜式水冷壁的传热边界条件反演进行了仿真试验,讨论了待反演参数的个数、初始猜测值、测点数目、测点位置、测量误差对反演精度以及向火侧温度分布的影响。仿真试验结果表明,适当增加壁温的测点数可提高反演精度,一般采用三个壁温测点即可获得满足工程要求的反演精度及水冷壁温度分布结果;虽然传热边界条件的反演结果对初值有一定的依赖性,但对于不同的初始猜测值,本文建立的反演模型仍然能够获得较好的反演结果;在一定的壁温测量误差范围内,共轭梯度反演方法能够得到较满意的结果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 膜式水冷壁传热过程研究
• 1.3 传热反问题及共轭梯度法
• 1.3.1 传热反问题的研究方法
• 1.3.2 基于共轭梯度法的传热反问题
• 1.4 本文的研究目的和研究内容
• 2 膜式水冷壁温度场的数值求解及影响因素分析
• 2.1 膜式水冷壁温度分布数学模型
• 2.1.1 物理模型简化及传热数学模型
• 2.1.2 膜式水冷壁向火侧辐射热流密度的确定
• 2.2 常用数值方法简介
• 2.3 膜式水冷壁计算区域与导热微分方程的离散
• 2.3.1 膜式水冷壁计算区域的离散
• 2.3.2 膜式水冷壁导热微分方程的离散
• 2.4 膜式水冷壁传热边界条件的处理
• 2.5 膜式水冷壁温度场的求解
• 2.6 自编程序适用性验证
• 2.6.1 数值方法可行性分析
• 2.6.2 网格无关性验证
• 2.7 膜式水冷壁温度场影响因素实例分析
• 2.7.1 向火侧局部辐射热流 q0 对温度场的影响
• 2.7.2 管内工质温度tf 对温度场的影响
• 2.7.3 水冷壁管内换热系数h 对温度场的影响
• 2.8 本章小结
• 3 基于共轭梯度法的膜式水冷壁传热边界条件反演模型
• 3.1 传热反问题的分类及主要特点
• 3.1.1 传热反问题的分类
• 3.1.2 传热反问题的主要特点
• 3.2 最优化方法
• 3.2.1 最优化概述
• 3.2.2 最速下降法
• 3.2.3 共轭梯度法
• 3.3 膜式水冷壁传热边界条件的反演模型
• 3.3.1 导热反问题的目标函数
• 3.3.2 基于共轭梯度法的膜式水冷壁传热边界条件反演
• 3.3.3 膜式水冷壁传热边界条件反演的收敛判断
• 3.3.4 膜式水冷壁传热边界条件反演的基本流程
• 3.4 本章小结
• 4 膜式水冷壁传热边界条件反演的仿真试验及讨论
• 4.1 实例分析
• 4.2 待反演参数数目的影响
• 4.3 初值的影响
• 4.3.1 MCR 负荷下初值对反演精度的影响
• 4.3.2 37%负荷下初值对反演精度的影响
• 4.4 测点数目的影响
• 4.4.1 MCR 负荷下测点数目对反演精度的影响
• 4.4.2 37%负荷下测点数目对反演精度的影响
• 4.5 测点位置的影响
• 4.5.1 MCR 负荷下测点位置对反演精度的影响
• 4.5.2 37%负荷下测点位置对反演精度的影响
• 4.6 测量误差的影响
• 4.6.1 MCR 负荷下测量误差对反演精度的影响
• 4.6.2 37%负荷下测量误差对反演精度的影响
• 4.7 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录