核主泵空化流动对能量转换特性影响的研究

摘要

在整个核电系统中，核主泵被喻为核岛的“心脏”，是核反应堆冷却剂系统的动力设备之一，也是一回路的主要压力边界。核电站中的一回路破口事故和热阱丧失事故均可能导致核主泵发生空化，使其扬程和效率降低，引起反应堆芯过热，空化严重时对核主泵性能和安全运行造成严重影响。本文以一台自主设计的核主泵模型泵为研究对象，通过数值计算，并结合相关试验数据深入研究了核主泵发生空化时其内部空化流动特性。
　　本研究主要内容包括：⑴核主泵空化流动对能量转换的影响。通过流线上压力、速度等的变化规律，结合泵基本方程，对不同空化工况下核主泵叶轮内动、静扬程进行深入研究。结果表明：核主泵内流体的能量主要由叶轮中后段提供，且从前盖板到后盖板，流体获得的能量逐渐减少。空化干扰叶轮内液体的流动，导致空化区域相对速度增大，压力减小，在气泡密集区域，叶片对流体做功极少。同时，随着空化程度加剧，无空化区动扬程增大，静扬程减小，且静扬程减小幅度大于动扬程增大幅度，从而引起泵扬程和效率下降。另外，在空化区域，随着空化程度加剧，动、静扬程突变程度加剧，增大了叶轮内的流动损失，进而导致泵扬程及效率进一步下降。⑵空化发展对核主泵性能的影响。选择4种空化工况，通过对比得出核主泵在发生空化时，其性能及内部流场变化规律。结果表明：核主泵发生空化时，其扬程、效率和功率变化对有效空化余量降低的敏感程度不同。随着空化程度加剧，扬程变化率最大，效率次之，功率变化率最小。同时，由空化产生的气泡改变了空化区域流体状态，使流体动力粘度减小，导致空化区域湍流耗散率减小，降低了湍流耗散损失。⑶叶片进口边几何形状对核主泵空化流动特性的影响。对4种不同叶片进口边几何形状的模型泵进行空化模拟，得出叶片进口边几何形状对核主泵性能的影响规律。结果表明：叶片进口边减薄，使叶片进口对流体的排挤作用减弱，改善了叶片对进口流动条件改变的适应性，减小叶片进口处的流动损失，使效率升高。另外，增大叶片进口边圆角，进口减薄程度加剧，使进口处过流断面面积增大，流速降低，进而导致压力增大，且低压区逐渐向叶片出口移动，在发生空化时，气泡对叶片进口处流体流动影响逐渐变小。同时，随着叶片进口减薄程度加剧，叶片进口更加接近流线型，液体绕流叶片头部时产生冲击减小，使叶片吸力面靠近进口处的最低压力有所增大。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 空化流动相关理论

1.4 水力机械空化流动研究现状

1.5 本文主要研究内容

1.6 本章小结

第2章 核主泵空化数值计算模型及试验验证

2.1 计算模型

2.2 网格划分

2.3 数值计算方法

2.4 试验验证

2.5 本章小结

第3章 核主泵空化流动对能量转换的影响

3.1 核主泵空化性能预测

3.2 核主泵空化发展规律

3.3 核主泵叶轮内空化流动与能量转换关系

3.4 本章小结

第4章 空化发展对核主泵外特性及流场的影响

4.1 空化流动对核主泵外特性的影响

4.2 空化流动对过流部件性能的影响

4.3 空化状态下核主泵叶轮内压力分布

4.4 空化状态下核主泵叶轮内流场分布规律

4.5 本章小结

第5章 叶片进口边几何形状对核主泵空化流动特性的影响

5.1 计算模型

5.2 叶片进口边几何形状对核主泵外特性的影响

5.3 叶片进口边几何形状对泵空化性能的影响

5.4 本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文和成果