Sekundarni povzetek: |
Toplotno utrujanje je pojav, ki povzroča strukturne poškodbe materialov in je eden od vzrokov za nastanek puščanja reaktorskega hladila v jedrskih elektrarnah. Dobro poznan vir toplotnega utrujanja v ceveh, ki so pomembne za jedrsko varnost, je turbulentno mešanje tekočin različnih temperatur.
Ocenjevanje toplotnega utrujanja komponent zahteva interdisciplinarno obravnavo. Ta vključuje oceno obremenitev - temperaturnih polj tekočine, ki povzročajo utrujanje, oceno prenosa toplote med tekočino in cevjo ter oceno mehanskih napetosti v stenah cevi. Na podlagi ocenjenih obremenitev in izmerjenih krivulj odpornosti materiala na utrujanje nato z analizami utrujanja napovemo življenjsko dobo komponent. Jasno je, da je natančnost ocene življenjske dobe utrujanja močno odvisna od natančnosti ocene obremenitev, predvsem časovnega poteka temperaturnih polj. Le-ta lahko pridobimo s pomočjo kompleksnih in časovno zelo zahtevnih eksperimentov ali simulacij turbulentnega mešanja tekočin s pomočjo računske dinamike tekočin (CFD). Na ta način dobljena temperaturna polja so ali prostorsko nezvezna ali pa so časovno omejena tipično na nekaj minut oz. kvečjemu ur. Poleg tega so dostopni podatki običajno predstavljeni le v kompaktni obliki, npr. s prvima dvema statističnima momentoma in gostoto spektralne moči.
Ekstrapolacija kompaktnih in relativno kratkih časovnih temperaturnih polj glede na pričakovano življenjsko dobo komponent, ki je reda velikosti nekaj mesecev oz. let, je inherentno obremenjena z negotovostjo, njena poglobljena obravnava v dostopni literaturi pa je pomanjkljiva. Zato je glavni cilj disertacije prispevati k napovedim in razumevanju negotovosti pri ocenjevanju varne življenjske dobe cevi, ki so izpostavljene toplotnemu utrujanju zaradi turbulentnega mešanja tekočin.
V disertaciji v ta namen raziščemo nabor najsodobnejših poenostavljenih in kompleksnih numeričnih metod, med katere sodijo enodimenzionalni (1D) približni modeli, ki jih rešujemo z eno- ali več-frekvenčnim (spektralnim) pristopom, ter turbulentni tridimenzionalni (3D) modeli CFD, ki upoštevajo vezan oz. nevezan prenos toplote. Predlagamo izboljšan, računsko nezahteven spektralni pristop za generacijo sintetičnih temperaturnih polj tekočine. Sintetična temperaturna polja, ki delujejo tik ob površini cevi, uporabimo v 3D termo-mehanskih analizah, s katerimi preverjamo obstojnost približno izo-dvoosnega napetostnega stanja na površini cevi daleč stran od geometrijskih, strukturnih in materialnih nezveznosti. V nadaljevanju z izboljšanim spektralnim pristopom izračunamo širok nabor temperaturnih signalov tekočine, s katerimi ocenimo pripadajoče življenjske dobe utrujanja. Z analizo teh rezultatov nato kvantificiramo inherentne negotovosti ocen. Pri analizi negotovosti poleg linearnega 1D modela difuzije toplote in termičnih napetosti uporabimo standardizirana pravila za ocenjevanje utrujanja. |