导叶扩散段参数对核主泵水力性能的影响

摘要

核电在能源结构中占有日益重要的地位,深入开展核主泵内部流动机理和性能优化研究,对实现我国能源装备国产化具有重要意义.本文以核主泵原型样机为研究对象,采用数值模拟和试验相结合的方法,从数值算法、内部流场和径向导叶三个方面对核主泵展开研究. 通过改变近壁面网格尺度、选取不同的湍流模型以及考虑流动状态是否定常,对影响核主泵性能计算精度的三种因素进行了综合性探讨.对于RNG k-ε湍流模型和标准壁面函数法,当近壁面网格尺度y+值在50左右时能够获得最高的计算精度.对于RNG k-ε增强壁面函数法、低雷诺数k-ε(AKN)和SST k-ω三种能够直接求解边界层流动的湍流模型,增强壁面函数法计算精度较高,而低雷诺数k-ε湍流模型计算精度较低.y+=50左右时的标准壁面函数法比y+＜10时的增强壁面函数法具有更高的计算精度,因而RNG k-ε湍流模型和标准壁面函数法更适合于核主泵性能预测.定常计算在偏工况存在较大的计算误差,非定常计算能够反映出性能曲线的主要特征,非定常计算更适合于对核主泵进行性能预测. 以RNG k-ε湍流模型和近壁面网格尺度Δy=0.4mm时的计算结果为例,选取0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd三个工况点对核主泵主要过流部件进行内部流场分析.叶轮和导叶中心平面内绝对压力沿半径方向逐渐增大,中心平面上同一位置流量越大绝对压力越小;从叶轮叶片工作面到背面相对速度逐渐增大,导叶流道内的速度分布比较紊乱,压水室内的速度受导叶流道内速度分布的影响.前腔压力梯度分布均匀,压力沿半径方向近似均匀增大;后腔压力梯度沿径向是逐渐增大的;口环间隙内压力梯度明显且流量越大压力梯度越小;液体在压差作用下从前腔经口环间隙流入到叶轮进口.在压水室扩散管入口左侧附近存在明显的低速区域,流体绕流扩散管左右两侧形成梯度很大的局部高速低压区.叶轮内的水力损失占有较大比重,增大流量之后叶轮内水力损失比重减小,导叶和压水室内的水力损失占比逐渐增加.叶轮不同叶片上的压力分布相似,工作面压力大于背面压力,从叶片进口到出口压力逐渐增大.小流量工况导叶叶片工作面上的压力在相对流线位置0.4时陡然升高然后略微下降,不同叶片导叶背面对应位置上的压力分布差异巨大;设计工况和大流量工况不同导叶叶片上对应位置的压力分布比较相似. 从控制导叶扩散段形状的综合参数导叶扩散度入手,分别研究了不同扩散段参数对核主泵水力性能的影响.核主泵的扬程随导叶扩散段进口面积的增加而增大,效率随扩散段进口面积的增加先增大后减小;叶轮效率随导叶扩散段进口面积的增加而减小;导叶静压回收能力随扩散段进口面积的增加而增大;压水室水力损失随导叶扩散段进口面积的增加先减小后增大.核主泵的扬程和效率随导叶扩散段出口面积的增加大致呈先增大后减小的变化趋势;叶轮效率随扩散段出口面积的增加先减小后增大,扩散段出口面积的变化对叶轮水力性能影响较小;导叶静压回收随扩散段出口面积的增加大致呈先增大后减小的变化趋势;压水室水力损失随导叶扩散段出口面积的增加先减小后增大,扩散段出口面积较小时能显著增加压水室的水力损失.核主泵的扬程随导叶扩散段长度的增加先减小后增大,扩散段长度的变化对泵的效率影响较小且无明显影响规律;叶轮效率随导叶扩散段长度的增加而增大;扩散段长度的变化对导叶静压回收的影响规律不明显;压水室相对水力损失随扩散段长度的增加出现波动,总体来看扩散段长度的变化对压水室水力性能的影响不大.核主泵扬程和效率随导叶扩散度的增加大致呈先增大后减小的变化趋势,导叶扩散度位于0.027~0.031之间能保证核主泵有较高效率;设计工况下导叶扩散度为0.03时泵的效率最高,最高效率点相比于原导叶方案效率提升0.45%.

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 带导叶泵运行工况

1.2.2 径向导叶叶片数目

1.2.3 径向导叶安放位置

1.2.4 径向导叶叶片形状

1.2.5 动静叶栅匹配特性

1.3 课题研究目标

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 湍流数值模拟的基本理论

2.1 湍流数值模拟方法

2.1.1 直接数值模拟

2.1.2 雷诺时均模拟

2.1.3 大涡模拟

2.1.4 RANS/LES混合方法

2.2 控制方程及其离散

2.2.1 流动控制方程

2.2.2 控制方程的离散

2.3 湍流模型与近壁面处理

2.3.1 RNG k-ε湍流模型与壁面函数法

2.3.2 低雷诺数湍流模型

2.4 边界条件

2.5 本章小结

第3章 核主泵性能预测精度影响因素的评价

3.1 核主泵模型及网格划分

3.1.1 计算模型

3.1.2 网格划分

3.2 性能预测的数值计算方法

3.3 不同因素对核主泵性能预测结果的影响

3.3.1 近壁面网格尺度对性能预测的影响

3.3.2 湍流模型对性能预测的影响

3.3.3 流动状态对性能预测的影响

3.4 本章小结

第4章 核主泵内部流场结构的数值分析

4.1 叶轮和导叶内部流场耦合分析

4.2 前后腔和口环间隙流场分析

4.3 压水室内部流场分析

4.4 核主泵内的能量转换特性

4.5 本章小结

第5章 导叶扩散段参数对核主泵水力性能的影响

5.1 导叶扩散度的定义及其控制参数

5.2 扩散段进口面积对核主泵水力性能的影响

5.2.1 扩散段进口面积的变化方案

5.2.2 扩散段进口面积对核主泵外特性的影响

5.2.3 扩散段进口面积对叶轮水力性能的影响

5.2.4 扩散段进口面积对导叶水力性能的影响

5.2.5 扩散段进口面积对压水室水力性能的影响

5.3 扩散段出口面积对核主泵水力性能的影响

5.3.1 扩散段出口面积的变化方案

5.3.2 扩散段出口面积对核主泵外特性的影响

5.3.3 扩散段出口面积对叶轮水力性能的影响

5.3.4 扩散段出口面积对导叶水力性能的影响

5.3.5 扩散段出口面积对压水室水力性能的影响

5.4 扩散段长度对核主泵水力性能的影响

5.4.1 扩散段长度的变化方案

5.4.2 扩散段长度对核主泵外特性的影响

5.4.3 扩散段长度对叶轮水力性能的影响

5.4.4 扩散段长度对导叶水力性能的影响

5.4.5 扩散段长度对压水室水力性能的影响

5.5 导叶扩散度对核主泵水力性能的影响

5.6 本章小结

结论

一、总结

二、展望

参考文献

致谢

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