AP1000核主泵排气过渡工况下瞬态流动特性研究

为了研究核主泵在排气过渡工况下的气液两相流瞬态流动特性,基于非均相流模型,采用CFX软件对核主泵排气过渡工况进行瞬态数值模拟,通过分析叶轮、导叶流道内的压力脉动、涡量变化及速度分布,得到了排气过渡过程的流动变化规律。研究结果表明：气液两相工况下,叶轮各流道内气相、液相的不均匀分布及两相之间的滑移作用,导致叶轮径向力产生大幅度波动;核主泵采用的扭曲型径向导叶,在进口含气率较高的工况下,其流道内易产生气泡堆积现象,使过流面积减小,产生较大的能量损失;核主泵类球形蜗壳的对称性结构,使左侧类隔舌部位出现低流速区,堵塞了部分出口流道,这也是核主泵排气过渡工况运行不稳定的重要原因。     

隐性汽蚀过渡过程主泵叶轮内瞬变流动特性研究

通过CFX程序对反应堆主泵叶轮流道内发生隐性汽蚀时瞬态流动特性进行数值模拟计算,研究分析从汽蚀初生工况起降低进口压力至临界汽蚀余量过渡过程中主泵内部瞬态流动特性。流场分析表明:在隐性汽蚀过渡过程中,汽泡相的增加会影响进口处速度变化,使得靠近主泵叶片进口处的速度随汽泡相区域的增大而变大,且汽泡的产生和溃灭会影响靠近进口处速度波动幅度;靠近叶片进口处涡量值受汽泡相影响而逐渐增大,汽泡的溃灭会降低溃灭处至叶轮出口处间的涡量值;由于泵体的非对称结构,导致叶轮各流道内的流量、流速及叶轮出口压力分布出现非对称性,引起瞬态径向力的不对称性。汽蚀发展到一定程度后,汽泡相开始对叶轮瞬态径向力值产生影响使其出现无规律波动。     

离心式上充泵小流量工况转换瞬态流动特性

为研究核电站离心式上充泵由上充工况向小流量工况转换运行过程中的瞬态流动特性,基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型,采用商业软件CFX对其进行定常数值模拟,并通过试验验证了数值计算方法的正确性。在此基础上,继续对该瞬态过程进行数值计算,得到上充泵内部流动瞬态压力及速度的变化规律。结果表明：在由上充工况向小流量工况转变过渡过程中,叶轮、导叶、出口涡壳的流道内压力有不同程度的上升趋势;在瞬态转变过程中,随着流量的减小,上充泵内部漩涡范围增大,流动形式也愈来愈差,导致压力和速度波动幅值增大;由于动静干涉影响,叶轮与导叶交界面附近监测点的压力和速度波动程度高于其他监测点的波动程度,双蜗壳流道内圈的波动高于外圈的波动。     

屏蔽式核主泵动静转子间的压力脉动特性

为了研究屏蔽式核主泵动静转子间的压力脉动特征,应用数值模拟方法,采用分离涡模拟（DES）,对模型泵不同流量工况进行非定常计算,分析其时域特征和频域特征,得到了其压力脉动特性。结果表明：核主泵模型泵动静转子之间压力脉动的频率为叶频及其倍频,这是由于叶轮出口边的射流尾迹与导叶入口边周期性的相互切割作用引起的。压力脉动的波动幅度在蜗壳出口处最大,且沿逆时针方向逐渐减弱;在小流量下较小,随着流量增大,其波动幅度增大。动静转子间存在低压流体区域,其数量与叶轮叶片数相同,传播速度与叶轮转速相同。     

叶轮叶片厚度对混流式核主泵能量性能的影响

为了分析混流式核主泵叶轮叶片厚度对能量性能的影响和进行流体动力优化，以某公司制造的100型混流式核主泵为研究对象，选取叶轮叶片厚度作为优化设计变量，分别设计了3种不同叶片厚度的叶轮。首先对原始模型进行数值模拟及性能预测，通过与原始模型试验数据的对比分析，确定了合理的数值模拟方法和验证性能预测的可靠性。对3种不同叶片厚度的叶轮进行全流道的数值计算分析，预测分析不同叶片厚度对核主泵外特性以及内部流场分布的影响。分析结果表明:相同流量工况下，随着叶轮叶片厚度的减薄，核主泵的扬程增加，效率降低。由于空间导叶的特殊结构，叶轮叶片减薄使导叶叶片进口处出现回流现象，增加了导叶内的流动损失，且全流道内的压力整体较高。因此，适当地增加叶片厚度有助于提高具有特殊空间导叶结构的核主泵效率和保证核主泵运行的可靠性。      

核主泵停机过渡过程瞬态水动力特性研究

为研究核主泵停机过渡过程中瞬态水的动力特性,通过Pro/E软件对核主泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε方程,应用计算流体力学软件CFX对核主泵叶轮流道内的停机过渡过程瞬态涡变和径向力进行数值模拟计算。结果表明：叶轮出口涡量小于进口涡量,且叶轮出口涡量受叶轮与导叶动静干涉影响而呈大幅的周期性波动。在泵体与出口管交接处的涡量变化较大,与导叶出口方向相反方向处的涡量变化最大。对比3种停机惰转过渡过程中惰转模型可知,带惰轮惰转模型的径向力呈周期性波动逐渐减小;线性惰转模型与带惰轮惰转模型的径向力变化趋势类似,但其变化幅度少于线性惰转模型径向力变化幅度,t/T=0.6~1时,其径向力变化幅度接近零;常规惰转模型的径向力呈现不规律变化,t/T约为0.25时出现极大值,对核主泵的可靠运行产生较大影响。     

CAP1400核主泵导叶和叶轮匹配数研究

为研究导叶和叶轮之间匹配对核主泵性能的影响及作用在叶轮上的径向力分布情况,采用CFD技术对不同方案下的核主泵进行非定常数值模拟,并进行试验验证。研究结果表明：核主泵扬程和效率的计算曲线与试验曲线基本吻合,效率相对误差在2.5%左右,扬程相对误差在4%左右;叶轮叶片数和导叶叶片数对核主泵性能影响较大,对其进行合理匹配能有效地提高泵性能;叶轮和导叶的不同匹配使叶轮径向力分布规律具有很大差别,作用在叶轮上的径向力呈周期波动,脉动频率以叶轮通过导叶频率为主;小流量工况下,随着流量的减小,叶轮的径向力及其脉动幅值增大,而变化速率减小;大流量工况下,随着流量的增加,叶轮的径向力及其脉动幅值增大。     

余热排出泵压力脉动频谱特性数值和试验研究

余热排出泵是核电站中的核二级泵，保证核电站安全停堆。采用导叶和环形蜗壳结合的结构形式以保证余热排出泵安全可靠运行。为研究余热排出泵内部压力脉动的分布和传播规律，采用非定常数值模拟和试验获得了泵内部动静干涉引起的压力脉动信号，并采用频谱法获得了压力脉动频谱特性。结果表明：数值模拟和试验同时捕捉到导叶离心泵内部由动静干涉引起压力脉动频率的两种基本频率（叶轮叶片通过频率和导叶叶片通过频率）。在叶轮流道内导叶叶频及其谐频的压力脉动频谱幅值从叶轮进口到叶轮出口逐渐增强，幅值最大产生在叶片出口边的工作面。在导叶流道内叶轮叶频及谐频下的压力脉动频谱幅值最大发生在喉部。在环形蜗壳流道内叶轮叶频及谐频下的压力脉动频谱幅值分布与导叶叶片出口边位置有关。研究结果可为降低泵内部压力脉动提供一定的参考。     

核主泵启动过程压力脉动和径向力研究

为研究核主泵启动过程中压力脉动和径向力的变化规律,根据AP1000启动过程的物性变化规律及参数设置,采用统计学方法对泵内无量纲压力脉动强度进行描述,采用频谱法分析了叶轮径向力。结果表明:导叶流道的压力脉动强度明显强于叶轮流道,随工作温度升高,强度递减;叶轮和压水室的压力脉动强度较弱,随工作温度升高,呈现不规律变化;叶轮径向力在叶频的1倍频和2倍频的脉动幅值较小,随工作温度升高,呈现不规律变化;而叶轮径向力在5倍频的脉动幅值最大,且随工作温度升高,其值递减;核主泵偏离设计工作点运行于常温下会导致导叶流道压力脉动增强,导致主泵的径向振动增强。     

混流式主泵模型泵内部流场压力脉动特性研究

采用ANSYS-Workbench与CFX实现的流-固热双向耦合技术对主泵模型泵内部流场的压力脉动进行数值模拟分析,研究了流-固热耦合作用下反应堆冷却剂泵(简称"主泵")叶片的压力脉动特性。根据压力脉动时域和频域情况,探讨产生压力脉动的主要原因,同时对不同流量下的压力脉动情况进行对比。叶轮进出口、导叶中间和导叶出口4个截面的压力脉动幅值从轮毂到轮缘均升高;叶轮进口和出口的压力脉动主要由叶轮转动频率决定,随着流体不断远离叶轮,叶轮对流体压力脉动的影响逐渐减弱;对比不同流量工况结果,设计工况的脉动幅值最小。     

核主泵卡轴事故瞬变过程的水动力特性研究

为探究核主泵卡轴事故瞬变过程的水动力特性,通过动态匹配核主泵水力特性与系统管路阻力特性,建立了反应堆一回路系统的全三维简化模型。借助计算流体动力学（CFD）方法对核主泵卡轴事故工况进行了瞬态数值模拟,得到不同卡轴工况下核主泵外特性、内部压力场、叶轮叶片载荷与受力特性的瞬时变化。研究表明：卡轴时间越短,核主泵相应特性参数的瞬时变化越剧烈,事故造成影响越严重。以叶轮转速刚降为0 r/min时为节点,在卡轴时间为0.1、0.3、0.5 s三种卡轴工况下,流量分别降低到正常运行时的82.3%、61.4%、49.6%;核主泵扬程达到反向极值,分别为正常运行时的-137.7%、-87.4%、-56.9%;叶轮叶片两侧压力差值达到最大,分别为1.34、0.73、0.47 MPa,且在叶轮叶片工作面一侧和导叶流道中间部分形成相对集中的低压区;叶轮所受轴向力达到反向极值,分别为正常运行时的-159.3%、-96.5%、-65.5%。本数值预测方法对反应堆水动力系统的动态安全性评估提供了一定的数据支撑。     

基于CFD数值模拟的复合叶轮核主泵压力脉动特性研究

为了降低核主泵在不同工况下运行时的压力脉动,采用数值模拟对核主泵3种不同进口直径的短叶片进行对比。结果表明：短叶片进口直径的改变并未改变叶轮的主频,但随着短叶片进口直径的增加,背面高频值逐渐减小,而工作面高频值却逐渐增大。在小流量工况下不同进口直径的短叶片的压力脉动幅值均较大;在设计工况下叶片背面各监测点在低频区与高频区域的波动能量明显大于叶片工作面各监测点在低频区和高频区的波动能量;大流量工况下叶片背面附近各监测点的低频区带宽及高频区的脉动能量明显增加,叶片工作面附近各监测点的脉动幅值出现较大的增加,短叶片背面附近各监测点的脉动幅值明显高于长叶片背面的脉动幅值。分析结果表明：短叶片进口直径为0.72D₂时,压力脉动在各种工况下运行最小。     

核主泵空化过渡过程水动力特性研究

采用流场分析软件ANSYS CFX对核主泵在不同空化工况下的水动力特性进行数值模拟分析,利用Morlet小波变换和快速傅里叶变换对相应数据进行处理分析。结果表明：气体含量随压力的降低或时间的增加呈现出指数变化规律。在空化初生工况,核主泵扬程脉动频率以低频为主,叶轮流道内的压力脉动的主频仍以转频为主,而空化产生的压力脉动对主频的影响不明显。随着空化的发展,空化所诱发的压力脉动对主频、次主频及脉动幅值的影响越来越大,其扬程脉动频率以低频脉动为主。空化严重工况时,扬程脉动频率以无规律变化的脉动高频为主,同时包含近乎规律变化的脉动低频。     

核电站冷凝泵首级叶轮与导流壳内流瞬态特性

为研究核电站冷凝泵首级叶轮与导流壳内流瞬态特性，建立叶轮与导流壳的水体模型并进行了数值模拟，得到不同工况下扬程波动的曲线、叶轮受到的径向力矢量分布以及设计工况下叶轮与导流壳内压力脉动的时域和频域特性。计算结果表明：大流量下的扬程振幅略高于小流量下的扬程振幅,当叶片出口掠经隔舌处时，扬程达到谷值，当叶片出口逐渐远离隔舌时，扬程达到峰值；从叶轮进口向叶轮出口压力脉动幅值递增；叶轮出口处，从叶片工作面向叶片背面压力脉动幅值递减，导流壳内部压力脉动主频接近叶频，导流壳隔舌附近的压力脉动振幅较大；叶轮在设计工况下径向力平均绝对值较小，且其指向大致与导流壳隔舌呈90°，当偏离设计工况时径向力产生明显的偏向。     

动静叶栅间隙对钠冷快堆二回路泵压力脉动特性的影响

为了研究动静叶栅间隙对钠冷快堆二回路泵压力脉动特性的影响，以钠冷快堆二回路泵原型样机为研究对象，基于剪切应力传输（SST）k-ω湍流模型，对5种导叶进口直径下的模型泵进行非定常数值计算，其中不同模型对应的动静叶栅相对间隙（s）分别为3.030%、4.545%、6.060%、7.575%和9.090%。获得了不同s的模型泵导叶流道区域的压力脉动特性及作用在转子上的径向力特性，分析结果表明:s为7.575%的模型泵，其扬程（H）和效率（η）均为5种模型中最高；导叶流道内各测点的压力脉动主频均为叶轮叶片通过频率，且各测点的叶频处压力脉动幅值沿导叶进口至出口方向逐渐降低；随着动静叶栅间隙增大，各测点处压力脉动及转子所受径向力脉动的叶频处幅值均逐渐降低，且高频脉动成分发生衰减；同时，转子所受径向力矢量大小和方向的波动性也逐渐减弱。      

非对称压水室对CAP1400主泵性能影响的分析研究

压水室作为主泵的边界,不仅承担着压力而且还是周向流出的导叶与单向流动的管路之间的唯一桥梁。为探究压水室对整机性能的影响,以CAP1400的1:2.5缩比模型为目标,提出了一种关于主泵非对称压水室的设计方法,并设计出4种不同几何尺寸的非对称模型。借助计算流体动力学（CFD）数值方法,得到含有口环间隙的核主泵全三维模型的内部流场、外特性及瞬态载荷信息。通过对比分析获得结论:4种非对称压水室模型将上盖板处径向载荷减小60%以上,使叶轮及总径向载荷的主频幅值减小13%以上;在保证径向载荷有明显改善的同时,还能有效提升泵体效率和扬程,前者改善更为明显,提升范围为0.57%~0.83%。