混流式核主泵内部流动特性及压力脉动的数值分析

摘要

混流式核主泵具有结构紧凑、易启动以及效率高等突出优点，广泛应用于民用核电站反应堆冷却剂循环系统。混流式核主泵旋转叶轮与静止径向导叶的耦合结构是泵进行能量转换的―心脏，因此，这种叶轮-导叶径向耦合模式对泵的性能影响至关重要，往往因叶轮与导叶的参数匹配不合理致使动静干涉的耦合流场结构欠佳，能量损失较大，最终使机组效率降低，且出现不稳定特性等诸多问题。
　　本文以CAP1400混流式核主泵原比模型为研究对象，全体计算域划分六面体结构化网格，主要基于DES湍流模型，通过三维非定常数值模拟对模型泵在不同工况下运行时的内部流动特性展开研究。
　　首先采用标准k-ε湍流模型进行定常计算，得到了模型泵在0.6~1.4Qopt（Qopt为设计流量）工况下的外特性，发现轴功率在1.05Qopt下取得最大值，表明核主泵具有无过载特性。对不同工况下模型泵内部静压、速度、流线和旋涡强度等物理量的分布特性进行了对比分析，表明小流量下流态较差，流动分离严重，导叶内流线沿叶高系数的变化显著。通过对叶轮和导叶各取一枚特征叶片进行载荷分析，表明叶片所受的载荷极不均匀，叶轮叶片靠前盖板处的载荷约为靠后盖板处的2倍；导叶叶片所受的载荷随工况变化的差异性较为复杂，在大流量下近入口段载荷相对较大，甚至改变方向。
　　其次通过非定常数值模拟，对比分析模型泵不同工况下的扬程波动特性和叶轮所受径向力的脉动特性，结果表明：设计工况下扬程波动幅度和径向力脉动幅度均小于偏工况下。偏大流量工况下扬程波动较强，而偏小流量工况下径向力矢量脉动的相位角范围较大。叶轮所受的径向力矢量表现出周期特性，其相位角主要集中于蜗壳出口中心线沿叶轮转向的反方向旋转30°至65°的范围内。通过分析涡量随时间的输运过程阐述了核主泵内的能量传递规律，揭示了叶轮和径向导叶之间动静干涉的耦合流场结构，分析了叶轮出口射流-尾迹结构的演化机理。
　　最后对模型泵在不同流量工况下动静干涉效应所诱发的泵内各个位置的压力脉动特性进行了频谱分析，结果表明：叶轮和导叶之间的动静干涉效应是压力脉动的根源，其频域特性主要受到叶频及其倍频的控制。设计工况下叶轮出口低频压力脉动的幅值沿叶高方向的差异较大。其中，前盖板处是叶轮中部的2.29倍，后盖板处是叶轮中部的1.69倍。导叶中部前缘处压力面侧的低频脉动幅值是吸力面侧的2.05倍，而在后缘处仅为吸力面的12.1％。导叶出口压力脉动沿周向分布的差异性与流道的局部不对称性有关。偏离设计工况越远，整体上压力脉动越强，但叶轮叶片进口轮毂处的压力脉动在偏离大流量工况不多时有所改善。
　　本文通过以上研究，分析了混流式核主泵内部流动特性，探讨了核主泵内部叶轮与导叶瞬态过程的流场结构和压力脉动特性的关联机理，为进一步揭示核主泵叶轮与导叶的“多参数匹配”规律奠定基础，同时为“高效节能、静音低噪、高可靠性”的核主泵的水力研发设计提供一定的参考依据。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 混流式核主泵内部流动机理研究进展

1.3 课题名称及来源

1.4 本文主要研究内容

第2章 湍流基本理论及数值方法

2.1 湍流运动基本理论简述

2.2 湍流数值模拟方法

2.3 本章小结

第3章 混流式核主泵模型的建立及网格划分

3.1 模型泵基本参数

3.2 模型泵计算域建模

3.3 模型泵全流域结构化网格划分

3.4 本章小结

第4章 混流式核主泵定常内流特性的数值分析

4.1 定常外特性分析

4.2 定常内流特性分析

4.3 本章小结

第5章 混流式核主泵非定常内流特性的数值分析

5.1 不同流量工况下非定常外特性分析

5.2模型泵内部流场的涡动力学分析

5.3 非定常压力脉动频谱分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要研究结果

6.2 主要创新点

6.3 课题研究方向展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间公开发表的论文