核电站上充泵瞬变工况内部流动特性分析

摘要

上充泵是核电站一回路化学和容积控制系统的重要组成部分,属于核Ⅱ级设备。核电安全标准对上充泵的可靠性及稳定性要求极高,因此,对上充泵瞬变工况内部流动特性进行分析具有重要的意义。
　　 本文首先采用多工况水力设计和反问题设计相结合的设计方法对上充泵首级叶轮水力模型进行优化设计,经CFD数值模拟与样机试验验证了优化后水力模型的准确性。在此基础上,对CFX边界条件进行二次开发,分别得出上充泵由额定运行工况向最高效率工况及小流量上充工况时内部流动规律。旨在全面探索上充泵多工况瞬变水力特性,为推动我国核电关键设备技术水平提供理论基础。主要工作及创造性成果有:
　　 1、针对上充泵运行工况要求,采用多工况设计法对叶轮的水力模型进行设计,利用改进型的多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)对首级叶轮模型进行反问题优化设计。对优化前、后的水力模型进行性能预测、制作成样机并进行外特性试验。结果表明:将样机试验结果与所要求工况点对比发现,样机水力性能符合要求,经优化后的水力模型不仅更接近上充泵实际使用工况的要求,同时也提高了抗汽蚀性能。
　　 2、采用CFX对上充泵水力模型进行定常数值模拟,研究分析上充泵内部压力、速度分布规律。分析结果表明:最高效率工况下,叶片背面流速较工作面流速要大,且越靠近叶轮出口相对速度越接近。大流量工况下,叶轮内出现明显脱流。小流量工况下,首级叶轮内回流机会增多,流体失速明显,造成的水力损失较大。在正导叶的导流及能量转换作用下,有效实现减速增压的过程;而在反导叶流道出口附近出现不同程度的漩涡,漩涡的存在导致水力损失的增加。这为模型的改进提高提供了依据。
　　 3、在定常计算为基础上,对上充泵水力模型在瞬变工况过渡过程下的非稳定流动进行数值模拟,分别分析了由上充工况到最高效率工况、上充工况到上充小流量工况下的瞬变过渡过程中内部瞬态压力及速度的流动变化规律。结果表明:(1)在变工况过程中,叶轮流道内压力波动在短时间内基本呈现为正玄曲线变化,且在变工况刚开始时波动幅值较大,变工况将要结束时幅值趋于稳定。(2)在向最高效率工况过渡过程中,流道内各监测点处的压力值都有不同程度的下降趋势,且越靠近吸入室其下降的斜率越大。(3)变工况过程中,压力波动在由上充泵进口到出口传递过程中,其变化幅值经由各级叶轮、导叶后呈现明显的衰减趋势,在双涡壳出口处压力波动幅值趋于稳定。