CAP1400核主泵空化流场特性分析

摘要

核能作为清洁高效的能源，越来越被广泛认可和采用。我国自主设计研发的CAP1400第三代先进非能动核电机组，标志着我国核电事业的巨大进步。核反应堆冷却剂泵作为一回路中唯一高速旋转的设备，必须长期高效地运行，是核电设备国产化的一大难点。空化是水力机械中普遍存在的一种破坏形式，其发生将会降低水力机械的性能，引起强烈的噪声及振动，甚至造成叶片的损坏，影响系统的稳定运行。为保证核主泵长期稳定运行，在其设计过程中，需要考虑空化的影响，并有效避免空化的发生。
　　核主泵在高温高压条件下运行，其运行温度下水蒸汽与水的密度比增加，其他参数如饱和蒸汽压力等受温度的影响增大，需要考虑热力学效应对空化的影响。基于均质平衡流理论及输运方程，在能量方程中添加了考虑汽液质量转移量及汽化潜热影响的源项。首先模拟常温条件下翼型的空化流场，将该结果与实验结果进行对比，验证模型的可靠性。通过对比常温条件及373K温度条件下翼型周围的空化流场，发现高温条件下空泡区明显缩短。模拟了373K及473K温度条件下叶轮内的空化流场，发现汽液交换过程引起很大的温降，考虑温度对饱和蒸汽压力的影响后，温度降低量减小，空化现象被显著抑制。高温条件下不考虑热力学效应模拟空化的结果是不准确的，考虑到热力学效应的影响及设计过程中空化性能与效率间的矛盾关系，可以在核主泵的设计过程中降低对空化性能的考虑，来提高泵的效率等性能。
　　此外，本文研究了不同汽蚀余量下，模型泵叶轮、导叶和蜗壳内空化流场的特点，得到了空化初生时的空化性能，对比了叶轮和整机模拟时泵的扬程、效率等性能，分析了蜗壳、导叶对叶轮内部空化流场的影响。基于所设计的模型泵结构和尺寸，采用砂铸叶轮、精铸铝制叶轮开展了模型泵性能的试验研究，试验结果表明叶轮的制造精度对临界汽蚀余量有很大的影响。非定常数值计算结果表明严重空化时入口压力脉动变得紊乱，空化区尾部存在很强的回射流，该回射流会使空化加剧。
　　从阻挡回射流的角度，采用在翼型上表面布置射流孔的方式，探索了抑制空化的方法。发现布置射流孔可以有效阻挡回射流从翼型尾部向头部的流动，随着射流速度的增加，回射流逐渐减弱，空化区缩短。此外，布置射流孔可以有效降低翼型表面升力系数及阻力系数的波动幅度，而对其平均值影响不大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 核主泵的研究现状

1．2．2 空化的研究现状

1．2．3 空化的热力学效应研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 本文主要计算模型

2．1 空化的相关参数

2．1．1 空化余量

2．1．2 空化数

2．1．3 空化初生

2．2 控制方程

2．2．1 基本控制方程

2．2．2 空化模型

2．2．3 湍流模型

2．3 流场数值解法

2．4 转动模型

2．4．1 动参考系模型

2．4．2 动网格模型

3 热力学效应对空化的影响

3．1 高温高压条件下介质物性特点

3．2 数值模拟方法

3．3 空化的热力学效应

3．4 热力学效应对空化的影响

3．5 热力学效应对核主泵叶轮空化性能的影响

3．5．1 计算方法

3．5．2 高温条件下叶轮的空化性能

4 CAP1400反应堆冷却剂模型泵空化性能数值与试验研究

4．1 主要设计参数

4．2 计算方法

4．3 模型泵叶轮空化性能

4．4 模型泵整机空化性能

4．5 性能试验

4．6 空化流动的非定常特性

5 抑制空化的方法探究

5．1 研究背景

5．2 计算模型

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢