基于正交试验的核主泵导叶水力性能数值优化

为提高核主泵整机水力性能,实现叶轮、导叶与环形压水室的最优匹配,以AP1000核主泵为研究对象,保持叶轮与蜗壳几何参数不变,选择导叶进口冲角、导叶包角和导叶出口角为正交试验方法的3个因素,并根据各因素的值确定取值范围。基于雷诺时均N-S方程、RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,应用CFD技术对核主泵进行了正交试验和数值优化。正交试验和因素显著性分析表明:额定工况下,优化后的模型泵较原模型泵扬程提高0.55m、效率提高0.66%;小流量工况下,优化后的杨程和效率提升更加明显;导叶包角和导叶出口角对泵水力性能的影响较为显著,导叶流道扩散程度决定了导叶流道的水力损失;导叶进口冲角、导叶出口角和导叶包角之间的相互作用对泵水力性能的影响不显著,可忽略。对导叶包角的研究表明,在小流量工况下,导叶包角与泵的效率呈正比,在大流量工况下,导叶包角与泵的效率呈反比。     

叶轮与导叶体之间的距离对混流泵水阻系数及效率的影响

以某混流泵为对象,基于FLUENT软件,建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程,并采用RNG k-ε模型、非结构四面体网格和SIMPLEC算法对该混流泵内部三维流动进行数值模拟.在分析网格无关性的基础上,并在叶轮与导叶体之间不同距离的情况下分别模拟了其在静态时的水阻系数和在动态时的性能参数,结果表明:在特殊环境下,当混流泵的叶轮与导叶体之间的距离为0.45 b2时水阻系数最低、效率最高,可达到静态低阻、动态高效的性能要求.     

基于DES的离心泵内部瞬态流动数值研究

为了阐明变工况运行条件下离心泵内部瞬态流动特性,评价其瞬态水力性能及其压力脉动特性,提高离心泵的运行稳定性,基于DES分离涡模型,在小流量、额定流量和大流量工况下对泵进行了性能预测和数值模拟。与试验结果比较发现,性能预测结果和试验结果吻合较好,额定工况下泵内部流动参数梯度变化均匀。在此基础上,在泵内部设置p1～p9压力脉动监测点,通过对监测点的压力脉动时频分析,表明进口流道p1压力脉动频率与叶频的倍频保持一致,以低频脉动为主;受隔舌结构影响,出口流道p6压力脉动频率的脉动幅值较大,以高频脉动为主。比较叶轮旋转第1～第6圈静压分布和涡量分布规律,第3圈后叶轮内部流动趋于稳定,第6圈后蜗壳内部流动达到稳定,表明离心泵叶轮和蜗壳内部涡团的演化过程非同步。     

基于核主泵性能预测的数值模拟精度研究

为提高核主泵在全工况点的数值模拟精度,研究了数值模拟过程中近壁面网格尺度、湍流模型、流动状态3种因素对计算精度的影响。结果表明,在定常状态下,重整化群（RNG） k-ε湍流模型和标准壁面函数法在近壁面网格尺度（y+）为50左右时具有较高的计算精度,并且其计算精度高于RNG k-ε增强壁面函数法、低雷诺数k-ε和剪切应力传输（SST）k-ω这3种湍流模型的计算精度,但上述不同网格尺度和湍流模型的计算结果均存在较大的计算误差;采用非定常计算时的计算精度明显高于定常计算,能够反映出扬程曲线在关死点附近的驼峰现象,效率的计算精度也有一定改善,更适合于对核主泵进行性能预测。      

核主泵动静叶栅内部瞬态流动特性研究

采用分离涡模型(DES)和块结构化网格技术,针对CAP1400反应堆冷却剂泵原型和0.4缩比模型,通过计算流体力学(CFD)数值分析和外特性试验,验证了DES模型的适应性和计算精度。首先,在不同工况下研究模型泵动静叶栅表面载荷分布规律,发现叶片所受载荷极不均匀,靠叶片前盖板处的载荷约为靠后盖板处的2倍;导叶叶片所受的载荷随工况变化的差异性较为复杂,大流量下近入口段载荷相对较大,甚至改变方向。基于涡动力学阐明了动静叶栅内湍涡运动和演化过程,揭示了在噪声干扰条件下叶轮、导叶的瞬态流场结构及演化机制。     

单作用滑片泵内部流动特性数值研究

为了揭示偏心距对单作用滑片泵水力性能的影响规律,建立6种不同偏心距的泵模型进行研究,并对偏心距10 mm工况下3种封闭角进行分析。基于动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对滑片泵进行三维非定常计算。研究表明：偏心距对滑片泵水力性能影响较大,随着偏心距由6 mm增大至11 mm,泵出口平均流量呈上升趋势,但其容积效率逐渐下降,偏心距为9 mm时滑片泵容积效率与流量较高;随着偏心距增大,转子所受径向激励力也随之增大,其中偏心距对转子径向激励力y方向分量影响较为明显,随着偏心距增大,其脉动曲线形状发生变化;封闭角为10°时,泵腔与吸油窗口相连前两者压力差较低,对进口处回流抑制较明显。     

搅拌反应器气液两相流混合过程的涡旋效应数值模拟

为研究气液两相搅拌釜桨叶对釜内流动结构及气液混合性能的影响,本文以直叶片和推进叶片为研究对象,采用ICEM软件对搅拌釜流场进行六面体结构网格划分,基于SST-DDES湍流模型及欧拉-欧拉多相流模型对搅拌釜内部流场进行三维非定常计算,获得两种桨叶下搅拌釜内部涡结构及其演化过程,并分析搅拌釜内瞬态气相分布和瞬时流场的分布规律。研究结果表明：由于叶片旋转而产生的涡有撕裂、合并、衰减和耗散的演化过程;直叶片相较于推进叶片,其涡耗散速度较快,涡产生到消失的周期较短;由于叶片结构不同,主流的运动方向也随之改变,直叶片沿径向分布,推进叶片沿轴向分布。前者在釜内形成上下两层循环区,不利于气相扩散。后者在釜内形成一个大循环区,加剧釜内流动循环,造成后者的气相扩散能力大于前者。比较两者T_0.95分布,推进叶片要小于直叶片,推进叶片搅拌釜T_0.95近似为直叶片搅拌釜T_0.95的50%。     

不同叶顶间隙下斜流泵轮缘压力脉动特性的数值分析

为了阐明斜流泵小流量工况下近叶顶间隙区域的压力脉动特性,揭示不同叶顶间隙RTC对斜流泵瞬态运行稳定性的影响,对斜流泵模型进行非定常数值模拟。选取叶顶间隙RTC分别为0、0.5、1和1.5 mm的4种方案,基于LES大涡模拟、SIMPLEC算法与结构化网格,通过压力脉动频谱分析,了解RTC与近叶顶间隙区域压力脉动的内在关系。结果表明,RTC引起的泄漏流与主流掺混加剧了叶顶间隙区域流动的不稳定性,降低了叶片的做功能力;较大的RTC可以有效减少叶顶间隙区域的高频压力脉动,但引起的泄漏流加剧;随着RTC的增大,叶轮近壁区压力脉动平均值逐渐减小,水力性能下降。斜流泵设计时,选取适当小的RTC可以提高斜流泵的整体水力性能。     

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。