核主泵叶轮反设计方法研究与CFD计算程序开发

摘要

在我国核电事业不断发展的进程中，核反应堆冷却剂泵（又称核主泵）的自主化设计显得尤为重要。目前针对核主泵叶轮的正向优化设计方法对设计经验和计算资源需求很大，设计效率较低。为此本文首先自主开发了叶轮机械流场计算程序，并在此基础上，结合反设计思想和理论，提出一种核主泵叶轮的反设计方法，开发了反设计计算程序，为我国核主泵叶轮的自主化设计提供参考。 文中首先介绍了所采用的叶轮机械二维粘性流场数值模拟方法。基于网格单元体中心的有限体积法，以显式时间推进方法求解二维直角坐标系下的Navier-Stokes方程。控制方程的空间离散采用中心差分格式，并引入考虑特征值影响的人工粘性项来保证计算的稳定并使用五步Runge-Kutta格式进行时间推进求解。对于粘性流动，使用Spalart-Allmaras一方程湍流模型来求解湍流粘度。为了使计算快速收敛，使用了当地时间步长和隐式残差光顺加速技术。基于上述理论基础，使用Fortran90程序语言自主开发了二维粘性流动求解程序。为了更加准确地模拟出叶轮机械内部的真实三维流动情况，本文基于两类相对流面理论，在二维粘性流动求解程序的基础上，开发了旋转机械准三维粘性流动求解程序； 为了模拟水泵中的不可压缩流动，本文基于预处理方法，开发了不可压缩流动求解器。使用相关算例将本文开发的求解器与商业软件NUMECA进行对比验证，结果本文所开发的求解器可较准确地模拟出叶轮机械内部流动情况。 基于自主开发的叶轮机械准三维粘性流动求解器，结合反设计理论，自主编写了反设计计算程序。通过给定叶片表面压差分布的方法对压缩机和核主泵叶轮进行反设计改型。结果表明：调整叶片表面载荷分布可以得到性能较好的叶轮，证明了本文反方法的可行性和有效性。

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