基于DDES的离心泵蜗壳内部涡动力学研究

为研究离心泵蜗壳内部涡结构、涡演化的过程,基于DDES湍流模型和涡动力学的涡量对离心泵多工况下的旋涡运动进行非定常数值模拟。研究表明:对比外特性数值预测和试验数据,两者差值在允许的范围内,表明延迟分离涡方法的可靠性;对比涡量云图,DDES湍流模型较RNGk-ε湍流模型能清晰地看到由大旋涡破裂而成的小旋涡,能更好地模拟精细流场结构;蜗壳内的旋涡主要集中在进口和隔舌附近,旋涡随着流体一起运动,在运动的过程中,大旋涡破裂为许多小旋涡,同时涡量逐渐减小;随着流量的增加,流道内旋涡的分布范围逐渐减少,同时涡量也逐渐减小;在蜗壳第三断面处,沿径向取3个压力脉动监测点,发现随着直径的增大,压力脉动幅度逐渐减弱,同时隔舌位置的压力脉动远大于蜗壳其他位置。     

高翼螺旋钻杆内部气固两相流动数值分析

为了揭示高翼螺旋钻杆内部气固两相流动规律,采用Euler-Euler模型,对高翼片螺旋钻杆颗粒输运过程进行气固两相流数值计算,得到高翼片螺旋钻杆在不同转速下内部气体和颗粒两相的速度和压力分布规律。数值计算表明,在400 r/min时,截面内部速度分布和压力梯度均匀,转速为600 r/min时,在轴向中间截面产生压力不连续现象,截面内局部发生压力突变,此时内部流场分布紊乱。螺旋钻杆内部压强由进口到出口呈近似线性增长的趋势,转速越高,压力梯度越大,进出口压差也就越大,随着转速增大,螺旋钻杆中间截面速度依次增大,且静止域中速度明显高于旋转域的速度分布。随着转速增大,颗粒相速度依次增大,颗粒相的最大速度小于连续相最大速度。当转速为400 r/min时,颗粒相主要分布在静止域转筒壁面附近,螺旋钻杆内部颗粒分布较少,在惯性力作用下颗粒贴附在螺旋钻杆壁面螺旋推流,颗粒体积分数较为均匀,推流效率较高。当转速为600 r/min时,静止域内部中间位置转筒壁面附近颗粒体积分数较高,螺旋钻杆内部气固两相流动分布极不均匀,表现出显著的气固两相流动不稳定性。     

导叶扩散度对核主泵水力性能影响的数值分析

CFD分析和试验表明,导叶对核主泵水力性能影响显著。为提高核主泵的整机效率,在最优比面积的基础上,提出了导叶扩散度的概念。选取控制扩散度大小的三因素及两水平,基于正交试验方法,获得了导叶几何参数的最佳匹配关系。研究表明：在叶轮 导叶比面积恒定的条件下,导叶扩散度对上游叶轮性能的影响较小,对导叶及下游蜗壳的水力性能的影响较显著。当导叶扩散度从零开始逐渐增大时,泵的效率先增大后减小,扩散度为0.025时泵的效率最高,此时导叶和蜗壳内的水力损失最小,导叶叶片的载荷分布合理。通过调整导叶扩散度提高整机水力效率的方法,将为核主泵的水力设计提供理论参考。     

基于分离涡模拟的核主泵全工况水力性能计算精度研究

为了研究分离涡模拟模型对核主泵水力性能预测精度的影响,在六面体结构化网格的基础上,采用基于SST κ-ω的分离涡模拟（DES）、延迟分离涡模拟（DDES）和改进的延迟分离涡模拟（IDDES）,分别进行全流量工况条件下的非定常数值计算,并与RNG κ-ε模型的计算结果作对比,从相对计算误差的大小和离散度2个方面对4种湍流模型的计算精度进行综合评判。研究结果表明:各分离涡模拟模型在全流量工况点的综合计算精度远高于RNG κ-ε模型;DDES和IDDES模型在全流量工况条件下的计算精度基本一致,并且都高于DES模型;DDES模型在设计工况点附近的计算精度明显优于IDDES。综合比较来看,DDES模型更适用于核主泵的性能预测。      

偏心率对核主泵叶轮口环密封激励力的影响研究

为探究转子偏心率对核主泵转子密封激励力的影响,基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,选取平面密封、迷宫密封和螺旋密封3种口环结构方案,对核主泵口环间隙内部流动进行数值计算,得到口环间隙区域压力、泄漏量及其密封激励力的分布规律。结果表明,模型泵性能预测值和试验值较为吻合,扬程最大误差为4.78%。在转子无偏心时,相对于平面密封,采用螺旋密封方案时口环泄漏量显著降低93.1%,而密封激励力增加63%。偏心率为10%时,口环压力分布沿周向较为均匀;当偏心率为30%时,周向靠近偏心位置处,口环间隙内部产生带状压力突升区,相对于无偏心方案,平面密封的泄漏量显著降低43.6%,而密封激励力增大4.4倍,迷宫密封和螺旋密封方案可显著降低转子偏心产生的密封激励力,其中迷宫密封可显著降低55%;偏心率为50%时,口环间隙内部带状压力突升区域偏向高压侧。本数值预测方法为揭示偏心转子对核主泵口环密封激励力的影响提供理论依据。      

核主泵水力性能数值预测的缩比效应研究

为提高核主泵的整体水力性能,实现与屏蔽电机的最优匹配,基于缩比模型换算法,选取RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对核主泵进行非定常数值预测及外特性试验。结果表明:在0.4Qd~0.7Qd流量工况下,扬程-流量曲线较为平坦;额定工况下,扬程预测值较额定值高5%,叶轮扬程最大值在0.4Qd工况点,水力效率最大值在0.9Qd工况点,叶轮水力效率模拟值较试验值高5%;小流量工况下,导叶水力损失呈以0.4Qd工况点为中轴线的正态分布,水力损失最大值在0.4Qd工况点;大流量工况下,导叶水力损失最小值在1.1Qd工况点。压水室水力损失符合正弦波分布规律,波峰在0.4Qd工况点附近,波谷在0.9Qd工况点附近。     

基于比面积调控的核主泵动静叶栅数值优化研究

核主泵动静叶栅的参数匹配对水力性能有显著影响。为了提高核主泵整机效率,本文基于动静叶栅几何参数的匹配关系,采用正交试验方法,选取调控比面积的三因素及三水平,探讨比面积对泵水力性能的影响机制;基于各因素平均值,综合考虑叶轮和导叶几何参数及其交互作用对扬程、效率影响的显著性,确定最优组合方案。研究表明:比面积对扬程和效率影响显著,ξ取0.835时,动静叶栅几何参数达最优匹配度,此时扬程和效率均达峰值点。导叶叶片前缘区域,ξ对液流速度的影响较显著,导叶内部速度值呈线性下降趋势时,导叶叶片对液流的控制力较强。当ξ取0.835时,CFD验证导叶水力损失达最小值。获得最佳比面积ξopt为0.835,动静叶栅内部水力损失最小,提高了核主泵整机性能。研究结果为核主泵动静叶栅水力设计,提供了理论依据。     

铅铋介质与清水介质在核主泵内流动对比

为了满足第四代核电系统铅铋(LBE)快堆模块化的结构要求，其主循环泵常采用轴流式结构，掌握铅铋介质在轴流式核主泵内的流动特性是铅铋快堆设计的关键性问题之一。但是目前泵的理论设计与实验都是以清水介质为前提，当实际应用在LBE介质下时，必然会导致泵的内外特性与设计目标和实验状态出现明显差异。通过计算流体力学(CFD)方法采用SST k-ω湍流模型对铅铋介质和清水介质进行瞬态数值计算，分析额定工况下两种介质在叶轮和导叶计算域的能量变化及其规律。结果表明：按照轴流泵水力设计方法完成的水力设计方案，在额定工况下，LBE介质相较与清水介质的扬程与效率均有明显提高。在叶轮计算域，LBE介质静扬程的提高是导致其总扬程与效率均优于清水介质的主要原因；在导叶计算域，LBE介质的流动损失明显低于清水介质，LBE介质在导叶轮毂处的分离现象明显弱于清水介质。     

不同导叶数对立式斜流泵水力特性影响的研究

为探索立式斜流泵导叶片数对水泵水力性能的影响,选择比转数ns=542.3的模型泵为研究对象,分别对双向FSI模型和单一流体域不同模型进行了比较研究。结果表明,双向FSI模型更加适合模拟斜流泵,能反映泵内水体真实流动规律;随着导叶片数的增加,泵内水力损失逐渐增大,当导叶数增加到7片时,泵内水力损失最大,占总扬程的15.20%;当导叶为3片时,泵内水力损失最小,只占总扬程的3.34%,且导叶出口速度分布以及导叶表面静压分布都较为合理。研究结果可为立式斜流泵导叶数的选择提供参考。