长距离过热蒸汽管道中的非稳态热力 - 水力建模与共轭传热机理

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Unsteady thermo-hydraulic modeling and conjugate heat transfer mechanisms in long-distance superheated steam pipelines

　　

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  针对过热蒸汽管道开发了一种瞬态热力耦合模型。
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  纳入管壁储热以捕捉热响应延迟。
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  TVD-MUSCL 格式限制了热前端的数值扩散。
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  将压力从 2 提高到 4 MPa 可缩短响应时间并减少压力波动。
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  将壁厚从 6 增加到 16 mm 会使响应时间延长 1.6 倍以上。

引言

在现代工业热能输送中，长距离过热蒸汽管道经常经历严重的瞬态操作，例如快速启动和深度负荷跟踪调节（Jin 等人，2024；Fambri 等人，2023；Huylo 等人，2025）。这些非设计工况破坏了稳态流场和热场，导致边界处出现显著的动态波动。与不可压缩液体不同，过热蒸汽作为一种高度可压缩的工作流体，其物性随局部压力和温度表现出强烈的非线性变化（del Hoyo Arce 等人，2018）。结合剧烈的操作瞬态，这种非理想行为极大地复杂化了内部流动物理过程和传热过程。

管道的结构特征进一步放大了这种复杂性，管道通常由厚金属壁和多层绝缘层包裹组成，共同充当一个大型热储备。在瞬态事件期间，湍流可压缩流与固体边界之间发生强烈的共轭传热（CHT）。因此，温度波（热前端）的传播速度远低于主体流体速度，导致宏观热传输延迟（van der Heijde 等人，2017；Wang 等人，2020）。未能正确考虑这种热惯性不仅会降低温度场的时空分辨率，还会掩盖厚壁中显著瞬态热应力的积累，这是导致热疲劳的一个关键因素（Taler 等人，2022）。

捕捉这种热延迟对于准确的动态预测和热应力评估至关重要。然而，在大规模网络建模的背景下，这仍然是一个长期存在的挑战。虽然稳态模型为复杂的蒸汽网络提供了基线分析（Hanus 等人，2020；Lou 等人，2025）；非稳态条件需要更高级的数值处理。之前的研究采用了准动态耦合模型（Li 等人，2025）或解耦质量和能量平衡（Hinkelman 等人，2022；Zhou 等人，2023）以提高计算效率。基于有限体积法（FVM）（Taler 和 Kaczmarski，2016）和先进空间格式（Wang 和 Meng，2018）的高分辨率方法也被开发出来，以最小化数值扩散并更好地跟踪热前端。然而，这些模型通常依赖于简化的控制方程或将管道热惯性视为集总参数。

因此，最近的热流体研究将重点转向了非稳态流动物理和瞬态 CHT 的基本机制。主要的计算障碍来自于快速移动的可压缩流体与热质量大的固体域之间时间尺度的巨大差异，这在多介质系统中引起了显著的数值刚度。这促使了时间尺度分解技术（Cai 等人，2024）和瞬态温度场高效求解算法（Zhao 等人，2024）的发展。作为这些努力的补充，高保真度研究考察了对突然质量流量变化的热力响应，提供了对近壁温度波动的见解（Zhou 等人，2026）。流体可压缩性与流动振荡之间的耦合也被广泛研究，以阐明瞬态流动行为（Ruby 和 Foysi，2025）。在更基本的层面，多层流体 - 固体系统中瞬态 CHT 的详细建模已被证明对于准确量化极端条件下的宏观热传输延迟至关重要（Zhang 等人，2026；Liu 等人，2026）。

尽管在基础 CHT 方法和网络规模模拟方面取得了相当大的进展，但仍存在一个关键差距。大多数现有动态模型未能从物理上区分多层边界的不同瞬态作用，具体来说，即主导快速储热的内金属壁（由于其高热容量）和主导较慢热响应的外绝缘层（由于其高热阻）。因此，目前仍缺乏对多层结构如何独立控制长管道中高非理想可压缩流体的热波传播的清晰机制理解。

为了弥合这一差距，本研究开发了一种先进的瞬态热力耦合模型，完全解析了多层流体 - 固体储热。该模型采用 IAPWS-IF97 公式纳入了过热蒸汽的非线性物性，并采用高阶 TVD-MUSCL 格式以保持温度前端的锐度。通过将金属壁的瞬态储热与绝缘层的稳态热阻解耦，本工作阐明了关键运行参数（压力、质量流量和加热斜坡）如何控制热响应延迟和动态压降。最终，该研究为理解严重瞬态条件下多层管道内的耦合流动和传热机制提供了坚实的理论基础。

章节片段

方法论

为了准确捕捉过热蒸汽在长距离管道运输过程中的瞬态热力学响应，并抑制传统集总参数方法或低阶有限差分方案中温度前端固有的过度数值耗散，本节开发了一种纳入管壁热惯性的瞬态热力耦合模型。基于控制偏微分方程的推导和高阶数值

模型验证

为了验证所提出的预测过热蒸汽瞬态热力行为的模型，采用了运行中长距离蒸汽管道的现场测量数据进行对比。工业管道长 1649 米，内径 400 毫米。如图 5 所示，沿管道在 $x=0$, 330, 670, 1005 和 1649 米处安装了五个监测点，分别对应入口、三个中间位置和出口。

管道压力为

结论

阐明长距离过热蒸汽管道中的瞬态流动物理和共轭传热机制对于理解热传输延迟和严重运行条件下的动态热力响应至关重要。本研究开发了一种纳入多层管壁热惯性的瞬态流体输送模型。在此基础上，阐明了运行条件和物理结构

CRediT 作者贡献声明

Yangyang Jin: 写作 – 初稿，方法论，概念化。Chong Zhai: 写作 – 审查 & 编辑，资金获取。Jiahao Gong: 方法论，数据整理。Jiayi Wang: 方法论，数据整理。Guoxing Wang: 验证。Yao Nai: 验证。Dong Li: 资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能出现在影响本论文报告工作的程度上。

致谢

本工作得到了 中国国家自然科学基金（52006107）和 江苏省自然科学基金（BK20240590）的支持。本工作在初步调查阶段得到了南京苏峡设计集团有限公司的支持。

Yangyang Jin|Chong Zhai|Jiahao Gong|Jiayi Wang|Guoxing Wang|Yao Nai|Dong Li