核电站离心式上充泵多工况转换瞬态特性研究

摘要

离心式上充泵是核电站一回路系统关键的核动力设备，其可靠、稳定运行对防止核电站事故的发生具有重要作用。核电系统要求上充泵在多个设计工况下运行，流量跨度范围大，在相邻工况之间转换的过渡过程中，上充泵内部会出现强烈的瞬态流动特性，例如产生漩涡、回流以及压力脉冲波等，不仅会影响上充泵的水力性能，还会影响核电站的安全运行，因此研究上充泵多工况转换的瞬态特性具有重要的意义。
　　本文首先对离心式上充泵首级模型进行稳态数值计算，并预测其性能;其次，分析了上充泵首级模型在多个工况下运行时，叶轮和双蜗壳之间的压力脉动情况;最后结合计算结果和试验所得离心式上充泵多工况转换中的瞬态流量变化函数，利用CFX中CEL功能对离心式上充泵首级模型多工况转换瞬态过程进行了数值模拟。本文主要研究结论及创新点有:
　　1.小流量工况下，由于上充泵内部流动不稳定，各监测点的压力脉动幅值较大;大流量工况下，双蜗壳两个隔舌和出口处有一定量的回流，导致该处附近的压力脉动先减小后增大。
　　2.研究发现，在一个旋转周期内，叶轮流道监测点的压力脉动出现2次波峰形式，蜗壳上监测点的压力脉动出现3次波峰形式，这主要是跟叶轮与蜗壳间的动静干涉有关，且在小流量工况下的压力脉动强度显著大于高效工况下的压力脉动强度;压力脉动主要产生于叶轮出口与蜗壳进口的交界附近处，叶频及其倍频是脉动的主要频率，且呈衰减趋势;经过快速傅里叶变换后得到压力脉动的频域分布特性。
　　3.运用CFX中的CEL表达式，编辑试验获取的瞬态流量函数，首次对离心式上充泵首级模型进行CFD瞬态计算，得到了离心式上充泵从上充工况Q=34m3/h到最高效率工况Q=110m3/h下首级叶轮与双蜗壳内的瞬态流动特性。在整个瞬态过渡过程中，叶轮和双蜗壳内各监测点的压力脉动不均匀，各监测点的压力上下来回波动，呈正弦函数图样分布，压力波动主要是由于叶轮旋转与静止双蜗壳之间的动静干涉引起的，其波动次数与瞬态过渡过程中叶轮旋转的圈数及蜗壳隔舌数有关。
　　4.从瞬变工况过程中叶轮和蜗壳的压力、速度流线分布云图上可以发现，在工况转换初期，压力和速度流线分布很不规则，出现了漩涡以及压力突变，随着变工况的进行，流道内漩涡逐渐减小和转移，直至消失，因此压力梯度越来越均匀，速度流线越来越整齐，当工况转换结束时，流量增加到最高效率点工况，此时压力和速度分布达到最优。
　　5.随着工况转换的进行，叶轮和双蜗壳内瞬时压力和速度脉动幅度越来越小，表明内部流动状态也逐渐变好;双蜗壳外圈流道压力速度脉动比内圈压力速度脉动小，说明双蜗壳结构有助于减小出口处压力和速度脉动程度，改善流动状态。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究的背景及意义

1．2．1 上充泵在核电站系统中的作用

1．2．2 上充泵运行工况

1．2．3 上充泵瞬态流动研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 离心式上充泵研究现状

1．3．2 离心泵多工况设计研究现状

1．3．3 离心泵数值计算研究现状

1．3．4 泵内部瞬态流动研究现状

1．4 存在的问题及发展趋势

1．5 本文的主要研究内容

第二章 离心式上充泵内部稳态流动数值计算

2．1 CFD计算简介

2．2 CFD计算基础

2．2．1 计算模型

2．2．2 网格划分

2．2．3 控制方程

2．2．4 湍流模型

2．2．5 边界条件

2．3 计算结果分析

2．3．1 水力性能分析

2．3．2 内部流场分析

2．4 本章小节

第三章 离心式上充泵内部非定常流动特性分析

3．1 非定常计算基础

3．2 非定常设置

3．2．1 边界条件设置

3．2．2 时间步长设置

3．2．3 监测点设置

3．2．4 初始条件设置

3．3 计算结果

3．3．1 整体压力脉动分析

3．3．2 叶轮内部压力脉动

3．3．3 蜗壳内压力脉动

3．4 本章小节

第四章 离心式上充泵性能试验研究

4．1 试验台设计

4．1．1 试验装置

4．1．2 试验步骤

4．2 试验结果

4．3 本章小节

第五章 离心式上充泵多工况转换瞬态流动特性

5．1 CFD瞬态数值计算基础

5．1．1 数值计算控制方程和湍流模型

5．1．2 边界条件

5．1．3 监测点设置

5．2 计算结果分析

5．2．1 瞬时扬程

5．2．2 叶轮内瞬态流动

5．2．3 蜗壳内瞬态流动

5．3 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间参加的科研项目及发表的学术论文