非均匀入流对CAP1400核主泵内流及性能的影响研究

针对CAP1400反应堆冷却剂系统中,由于蒸发器下腔室和核主泵直接相连导致核主泵入口产生非均匀入流,从而影响核主泵内部流场的问题,通过基于剪切应力运输模型的全三维CFD模拟方法,对蒸发器下腔室和核主泵联合模型进行数值模拟,分析了蒸发器下腔室致非均匀流动的形成机理,研究了非均匀入流对核主泵内部流动和水力性能的影响。结果表明：下腔室非对称结构和突缩截面的流动分离是非均匀流动的主要成因。在额定工况下,非均匀入流导致左侧和右侧核主泵扬程分别下降6.0%、5.1%,效率分别下降7.2%、6.6%;在0.5～1.2倍额定流量工况范围内,性能下降幅度与流量呈正相关。非均匀入流呈现轴向速度分布不均匀并伴随二次流动的稳定结构,并且左右两侧叶轮内非均匀入流的旋流畸变特性和轴向速度分布不同。叶轮入口旋流畸变引起入口冲角发生变化,与均匀入流相比,左右两侧叶轮叶高中部的冲角变化相反,而叶顶部分冲角均增加、叶根部分冲角均减小;叶轮入口轴向速度不均匀引起左右两侧叶轮各流道的流量波动分别增大3倍和2倍,降低了核主泵的运行稳定性。     

导叶周向位置对核主泵叶轮径向力的影响

基于多重参考系下的雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,对核主泵导叶在不同周向位置缩比模型的内部流动进行全三维非定常数值计算.分析导叶周向位置对核主泵叶轮径向力的影响,基于数值计算结果表明:导叶位置变化对核主泵能量性能有明显的影响,扬程、效率的最大变化率分别为2.47%、1.52%,扬程和效率的最大值均出现在导叶周向位置角为5°时,说明此时核主泵性能最优;在设计工况下随着导叶周向位置的变化作用在叶轮上的径向力随时间呈周期波动,径向力脉动频率以叶片通过频率为主,其中导叶周向位置在5°时径向力分布比较集中,有利于核主泵的安全运行;导叶处于最佳周向位置时随着流量的变化作用在叶轮上的径向力先减小后增大.在非设计工况下,作用在叶轮上的径向力分布随机性较强,故在设计工况下可以降低核主泵在运行过程中的振动.     

空化过程对核主泵外特性变化的影响与分析

为研究空化发展对核主泵外特性及内部流场的影响,基于连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对核主泵模型泵在设计工况下进行全流场空化模拟.研究中选择四种空化工况,通过对比模拟结果,得出核主泵在发生空化时,其性能变化规律及内部流场变化规律.模拟结果表明:核主泵发生空化时,泵的外特性对有效空化余量降低的敏感程度不同.随着空化程度的加剧,扬程下降最快,功率下降最慢.空化状态下,由于空化产生的气泡对叶轮流道产生排挤作用,使得过流断面面积减小,流体相对速度增大.此外,由于空化产生的气泡改变了空化区域流体状态,使流体动力黏度减小,导致空化区域湍流耗散率减小,湍流耗散损失降低.     

诱导轮与叶轮叶片数匹配对泵空化性能的影响

为了研究诱导轮叶片数与叶轮叶片数匹配关系对泵空化性能的影响,基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,结合试验对某型LNG电动超低温潜液泵进行了全三维数值计算,并分析了泵的空化性能、扬程和效率随诱导轮和叶轮叶片数的变化规律.分别对诱导轮叶片数为2、3、4,叶轮叶片数为6、7、8的9种正交组合进行了数值分析研究,得到诱导轮和叶轮内空化发展的四个阶段.研究结果表明:只增加叶轮叶片数,扬程的增加幅度逐渐变大,对空化性能影响不明显;只增加诱导轮叶片数时,空化性能严重下降,最大差值达到11.0%,但对扬程和效率影响不明显;诱导轮的叶片数对泵空化影响较大,叶轮叶片数对泵空化影响较小.     

进水均匀性对大型轴流泵装置空化特性的影响

针对肘形进水流道对大型轴流泵装置空化特性的影响,从进口速度三角形理论出发,推导泵汽蚀余量与进口速度均匀性之间的关系.采用CFD技术对大型轴流泵外特性曲线进行模拟,与试验结果进行比较,结果表明:在设计工况下,扬程误差为3.58%,效率误差为3.31%.并对泵装置性能和空化特性进行预测,受肘形进水流态的影响泵装置进口速度均匀度变差,致使其扬程下降了7.83%,汽蚀余量增大了12.04%;通过比较进口速度均匀性,发现在叶轮进口截面处进口来流并没有垂直均匀地进入叶轮内部,而是与轴向流线成一定角度,且泵装置空化时来流速度加权平均角θ最大;将θ带入推导公式,发现泵装置的汽蚀余量误差能得到减小,且小于5%,达到工程应用要求.     

螺旋离心泵内非定常漩涡空化的计算与分析

为了对水力机械内部的漩涡空化进行深入研究,应用计算流体动力学软件(CFD)对一台螺旋离心泵进行了数值模拟计算,发现在一定工况下,螺旋离心泵内部由经过轮缘间隙的二次流所导致的漩涡涡核低压处会发生漩涡空化.捕捉到了该泵叶轮区域漩涡空化的形成-发展-分离的过程,发现该过程中的螺旋离心泵扬程出现大幅下降.实验与数值模拟的空化性能曲线数据基本符合.     

微型泵半开式离心叶轮的空化性能

为了解空化性能对微型泵运行可靠性的影响,对两个半开式离心叶轮进行了空化实验。两试验叶轮在断面上具有相同的叶片型线,其中一个为二维叶片,另一个为倾斜叶片。为了与实验对比,在每个叶轮最佳效率点附近,基于标准k-ε模型和VOF空化模型进行微型泵内三维紊流计算。研究揭示了所试验的微型泵具有与常规尺寸离心泵相当的空化性能;随着叶尖轴向间隙增大,微型泵的空化性能下降;对半开式叶轮,采用倾斜叶片,既可提高微型泵的水力性能,还能提高其空化性能。研究显示叶轮进口流动均匀是空化性能得到改善的重要原因。     

导叶叶片厚度对核主泵性能的影响

为了研究导叶叶片厚度对核主泵性能的影响,在核主泵其他参数均不变的前提下只改变导叶叶片的厚度,通过数值方法预测了五种不同导叶叶片厚度下核主泵的水力性能.结果表明:设计工况下,导叶叶片均匀减薄0.5倍时,导叶间的排挤减小,但导叶的导流能力以及能量转化能力下降,最终使得核主泵的扬程、效率降低;导叶叶片前1/2段均匀加厚1.5倍时,较其他四种方案,其流场分布最为均匀,导叶内的流动损失也最小,模型泵的扬程、效率最高.在满足导叶叶片结构强度的前提下,可根据导叶流道的不同位置结合其不同流动状态对叶片进行非均匀加厚,以减小流道内的水力损失并最大程度地将动能转化为压能,从而提高核主泵的内外特性.     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

叶轮进口几何参数对离心泵空化性能的影响

对一个低比转速(ns=86m·m3·s-1·min-1)离心式锅炉给水泵进行了空化性能实验.为了与实验对比,在泵最佳效率点附近,基于标准k-ε模型和VOF空化模型进行了泵内全流道的三维空化湍流计算.结果表明数值模拟能较好地预测泵的平均空化性能.为改善锅炉给水泵内的空化性能,在实验泵已有叶轮的基础上,采用延长叶轮进口及加大叶片安放角的措施设计了5种新叶轮,并以这些新叶轮替代原叶轮进行了泵内全流道的空化流计算.结果表明,适当延伸叶轮叶片的进口位置及加大叶片进口角均可较明显地改善离心泵的空化性能.进一步的流场分析显示,保证叶轮进口的流动均匀性是离心泵空化性能得到改善的重要原因.     

叶片开槽对轴流泵空化性能的影响

为探究开槽叶片对轴流泵空化性能的影响,以350ZQ-70-H型潜水轴流泵为研究对象,对其不同空化余量下的流场进行定常和非定常数值模拟,对比分析原模型与改进后模型的速度矢量分布、压力分布、内部空泡体积分数及空泡体积变化等.结果表明:开槽叶片可以改善轴流泵的效率和扬程,提升轴流泵性能;开槽叶片增大了叶片进口处流动面积,降低了叶片进口处流速,使得轴流泵叶轮内压力的分布得到改善,从而对空化产生抑制作用;在空化的各个阶段里,开槽模型的空泡体积分数分布均有所降低,其中空化初始阶段最为明显,相比原模型下降了30.4%,有效抑制了空化的发展,空化性能明显提升.     

船坞泵站泵装置模型优化试验研究

对船坞泵站泵装置进行了模型试验,讨论了水泵参数换算、试验结果及误差分析等问题,研究了导流方案与悬空高度对泵装置性能的影响．为提高泵装置性能,将原出水管道虹吸下降段及出口管径设计成渐扩管．试验结果表明,在悬空高度hp=0．76D0时,各种工况下进水流态平顺,流道内无涡带发生,水泵运行平稳,装置效率可提高0．5％-1．5％．     

离心泵汽蚀过渡过程瞬态特性分析

为了对离心泵汽蚀过渡过程的瞬态水力特性进行分析,采用全汽蚀模型且不考虑水中溶解性气体对汽蚀的影响,再通过计算流体力学软件CFX对离心泵叶轮流道内汽蚀过渡过程进行了数值模拟计算,并与试验结果进行了对比.结果表明:数值模拟结果与试验结果的变化趋势基本一致,汽蚀过渡过程中叶片背面气体体积分数随汽蚀余量的降低而逐渐增大,当叶片工作面的气体体积分数大于0时,汽泡相开始堵塞叶轮流道,进而影响叶轮内部能量的交换和传递;汽蚀引起的旋涡使得叶轮流道内的速度出现无规律波动,从而造成靠近旋涡区和叶片工作面通道内的速度和载荷增大;扬程在随汽蚀余量的降低而缓慢降至一定程度后再次急剧下降,不同工况下扬程波动的幅度有所不同,小流量时扬程波动幅度最大.     

叶片进口边位置对快堆二回路钠泵空化性能的影响

为了提升快堆二回路钠泵的空化性能,在确保其他几何参数不变的前提下,将原型样机的叶片进口边分别前伸三次构造出模型泵A、B、C.基于RNG k-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri和Schnerr&Sauer空化模型,对各模型泵进行三维定常单相、两相空化数值模拟,预测出各个模型泵的水力性能曲线、不同工况下的空化性能曲线和内流场参数.通过对比原型样机和各个模型泵的水力性能及内流场参数,得到结论:叶片进口边前伸对钠泵的水力性能影响不大,其中模型泵B的水力性能下降量最小;各模型泵的临界空化余量均不同程度降低,模型泵B的空化性能最优;适当地前伸叶片进口边位置,钠泵的空化性能明显提升.     

多孔壁入流及其对槽道内主流流动与换热的影响

对带有多孔壁入流的水平槽道内主流气体的流动与换热问题进行了数值模拟。数值计算中将主流区和多孔壁面区进行耦合求解,对多孔壁面内流动和换热、多孔区域的非均匀温度分布、注入率对表面温度的影响等进行了研究。计算结果表明:在多孔壁面内部,冷却气体与多孔壁面内固体颗粒之间存在一定温差,说明在对多孔壁面内部的流动与换热进行体积平均式的宏观数学描述时采用局部非热平衡模型的必要性;在靠近主流气体的多孔壁面孔隙内产生与主流相反方向的速度分量。此外,不同注入率下多孔壁面上表面固体温度的计算值与实验结果基本吻合。     

附着空化流动下离心泵水力性能数值预测

采用改进的空化模型和算法，同时耦合黏性Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程求解技术，对空化流动条件下离心泵的水力性能进行了数值预测研究．采用具有试验数据的拱形头部圆柱体空化绕流考核了所提出的空化模型和算法的准确性和可靠性．采用数值方法研究了不同流量系数下离心泵水力性能与空化系数之间的关系，预测了空化系数对离心泵叶轮表面附着空化气泡形状的影响．数值结果表明，在相同的流量系数下，存在着临界空化系数，在临界空化系数时离心泵的水力性能突然下降，空化系数越小，离心泵叶轮表面的附着空化空腔越大，同时造成水力性能下降的越快．研究结果证明了所提出的空化模型和算法能够应用干水力流体机械宅化流动时的性能预测。     

高温气冷实验堆堆底流道的热混合性能

高温气冷实验堆（ＨＴＲ－１０）堆底流道结构的作用之一是使径向温度分布不均匀的堆芯出口冷却剂得到足够的热混合。在相似模型上进行的试验研究表明，在对应ＨＴＲ－１０正常运行时的冷热气进口流量比为１：０．７４６情况下，堆底流道结构能使冷却剂的温度混合程度和均匀程度分别达９４％和９８．４％以上，再流过热气导管后，即到达热交换器之前，这两个值分别达到９８％和９９．６％。在稍作简化的模型上进行的试验表明，进口流量比对流道的热混合性能影响不大，在进口热冷流量比为０．５～２范围内所得到的温度混合程度在流量比为１时有最大值并在两侧显示出一定对称性的分布，其值在９１％～９５％之间。     

混流泵叶片优化及基于状态方程模型的空化研究

在保证效率和扬程的前提下,为了最大限度地提高混流泵空化性能,利用基于正压流体状态方程的空化模型,开展了混流泵空化性能研究.发现原来采用速度系数法设计的5叶片混流泵叶片结构并不合理,泵叶轮设计工况下的临界空化余量较高.针对这一问题,增加混流泵的叶片数目为7片,并以效率和扬程作为目标函数,对7叶片混流泵叶片进口边形状、叶片前缘厚度以及叶片厚度变化规律进行了优化设计.混流泵优化前后3种不同叶片结构方案的空化性能对比分析结果表明:混流泵叶片进口边适当向进口方向延伸,叶片进口边前缘减薄,以及改变叶片厚度的变化规律,将使混流泵的临界空化余量大大降低.优化设计后的混流泵效率为90.857%,扬程为163.86m,优化后的临界空化余量为28.64m,相比优化前降低了45%,有效地改善了混流泵在设计工况下的空化性能,为今后该类高温高压混流泵的设计和优化提供了方向.