余熱排出泵啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)內(nèi)流特性研究.pdf

1、本文的研究是在國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“百萬(wàn)千瓦級(jí)核電離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011BAF14B04)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“水力機(jī)械的空化特性及對(duì)策”(51239005)和“離心泵進(jìn)口流場(chǎng)畸變誘導(dǎo)低頻頻率特性的研究”(51349004)的資助下展開(kāi)。
　　余熱排出泵作為核電站的關(guān)鍵設(shè)備，是余熱排出系統(tǒng)(RRA)的主要組成部分，是除核主泵外唯一布置在核島內(nèi)的核Ⅱ級(jí)泵。在反應(yīng)堆停運(yùn)過(guò)程中，使反應(yīng)堆冷卻劑在RRA熱交換器與反應(yīng)堆壓力容器之

2、間循環(huán)以保證電廠進(jìn)人冷停堆狀態(tài)。由于余熱排出泵必須能夠承受任何瞬態(tài)機(jī)械載荷或水力載荷，故瞬態(tài)工況對(duì)系統(tǒng)安全的影響不可忽視。核電站正常運(yùn)行時(shí)，RRA系統(tǒng)隔離、備用。然而，在一些特殊的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中，RRA系統(tǒng)的立即投入是不可或缺的，因此對(duì)余熱排出泵的啟動(dòng)可靠性有嚴(yán)格要求，研究實(shí)踐表明，泵發(fā)生故障的多數(shù)場(chǎng)合（約30％以上）是出現(xiàn)在啟停階段，所以余熱排出泵啟動(dòng)的可靠性在很大程度上決定了整個(gè)RRA系統(tǒng)的可靠性。因此研究余熱排出泵啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)特

3、性，對(duì)提高泵啟動(dòng)時(shí)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性以及對(duì)泵及整個(gè)系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)具有重要意義。
　　本文基于離心泵穩(wěn)態(tài)性能的相關(guān)研究基礎(chǔ)，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)處于不同啟動(dòng)狀態(tài)的余熱排出泵瞬態(tài)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，探索了余熱排出泵啟動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部非定常流動(dòng)演化機(jī)理，總結(jié)了余熱排出泵啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)內(nèi)流特性。本文的主要研究工作和研究成果如下:
　　1.建立了基于MpCCI的Flowmaster-CFX雙向耦合聯(lián)合仿真

4、分析方法，基于Flowmaster對(duì)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，為余熱排出泵啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)內(nèi)流計(jì)算及流固耦合計(jì)算提供計(jì)算條件。
　　2.基于余熱排出系統(tǒng)仿真模型，對(duì)三種不同啟動(dòng)過(guò)程的余熱排出泵瞬態(tài)內(nèi)部流場(chǎng)分別進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算，分析了不同啟動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性，泵內(nèi)壓力、速度分布規(guī)律以及葉輪和導(dǎo)葉流道內(nèi)的旋渦演變過(guò)程。由于導(dǎo)葉內(nèi)的非定常流動(dòng)誘發(fā)了較為強(qiáng)烈的低頻壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致壓力脈動(dòng)最大強(qiáng)度出現(xiàn)在導(dǎo)葉出口各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處;葉輪出

5、口處則由于葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用，壓力波動(dòng)非常劇烈。不同啟動(dòng)過(guò)程中的壓力、速度分布規(guī)律基本相似，泵內(nèi)壓力任意時(shí)刻均表現(xiàn)為葉輪進(jìn)口低壓逐漸發(fā)展至葉輪出口處的高壓，最大壓力均出現(xiàn)在導(dǎo)葉處;泵內(nèi)高速區(qū)則主要出現(xiàn)在葉輪葉片進(jìn)口邊及葉輪流道與導(dǎo)葉流道交接處。葉輪流道內(nèi)的流體在慣性力的作用下，經(jīng)歷了旋渦的產(chǎn)生、分離、消失三個(gè)不同階段，由此反映了啟動(dòng)過(guò)程中流體的慣性作用明顯影響著流場(chǎng)的發(fā)展。
　　3.基于余熱排出泵啟動(dòng)過(guò)程瞬態(tài)內(nèi)流計(jì)算結(jié)果，

6、采用單向流固耦合方法，分別對(duì)余熱排出泵三種不同啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)內(nèi)部流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行了聯(lián)合求解，獲得了余熱排出泵不同啟動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，啟動(dòng)過(guò)程中，流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間的耦合作用使余熱排出泵內(nèi)部流場(chǎng)激勵(lì)呈現(xiàn)不斷往復(fù)振蕩上升的趨勢(shì);應(yīng)力、應(yīng)變緊跟轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值;在葉輪加速結(jié)束時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力、應(yīng)變瞬時(shí)峰值，表現(xiàn)出明顯的瞬時(shí)沖擊效應(yīng)。不同啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生變形的主要位置均位于葉輪后蓋板靠近輪緣處，應(yīng)力集中現(xiàn)象則主要出