高温高压离心泵三维湍流数值模拟及流动特性研究

论文摘要

在核电站中，蒸汽发生器的主要功能是将核岛反应堆产生的热量转换为常规岛汽轮机所需的蒸汽热量，蒸汽发生器通过主给水泵进行给水，主给水泵运行工况为高温高压，目前对高温高压泵内部的流场分析较少，因此对高温高压泵进行内部流动特性研究有其必要的意义。本文以高温高压离心泵为研究对象，建立了离心泵从进口到出口的全流道三维几何模型，对形状规则的离心泵进口管区域采用六面体结构化网格，其余流体区域如叶轮、导叶、泵壳等，采用网格适应性较强的非结构化网格进行划分，动静面的流动信息交换通过应用快速滑移网格技术来完成。通过湍流模型的数值模拟结果与实验数值的比较，本文选择RNGk-ε湍流模型对离心泵进行定常与非定常三维全流道湍流数值计算，分析高温高压离心泵内部流动特性。在进行定常湍流计算时，分析平衡孔对离心泵的性能的影响，研究其降低轴向水推力的机理。在高温高压的条件下，模拟动叶轮与静止导叶之间的仿生蜂巢形密封环内的流体流动机理。在完成离心泵三维非定常湍流计算的基础上，本文分析了设计工况及偏流量工况下，主要压力脉动的产生机理、压力脉动的传播规律、脉动源的位置及压力脉动的振幅特性。通过对高温高压离心泵泵壳上布置测点来分析压力脉动的幅值对泵壳安全性的影响，结果表明位于泵壳壁面上测点的压力脉动的幅值很小，从而判断对泵壳的安全性能的影响不大。由于高温高压离心泵的泵壳设计成类似球形结构，其水力损失较大，本文对泵壳内的水力损失及流动状态做具体的分析，发现泵壳内的流体流动状态非常紊乱，并且含有大量的旋涡，从导叶流出的流体很大一部分在泵壳内经多次回流才能流出，并且在靠近出水管类似隔舌处，出现很大一块在驻点区域，同样造成了较大的冲击损失。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 凝结及给水系统及给水泵简介
• 1.3 高温高压泵的国内外研究现状及发展方向
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 高温高压离心泵的数值模拟方法
• 2.1 基本方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 标准 k-ε湍流模型
• 2.2.2 RNG k-ε模型
• 2.3 网格技术
• 2.3.1 非结构化网格技术
• 2.3.2 滑移网格技术
• 2.4 控制方程的离散
• 2.5 不可压缩粘性流体流动计算的速度-压力修正算法
• 2.6 本章小结
• 第3章 高温高压离心泵的三维定常湍流计算
• 3.1 离心泵三维定常计算模型
• 3.1.1 计算模型及基本参数
• 3.1.2 网格的划分
• 3.1.3 三维定常湍流计算方法
• 3.1.4 边界条件设置
• 3.2 三维定常计算结果
• 3.2.1 数值计算及实验结果的验证
• 3.2.2 高温高压与常温常压计算结果比较
• 3.2.3 计算结果分析
• 3.3 平衡孔对高温高压离心泵性能的影响
• 3.3.1 研究对象及基本参数
• 3.3.2 计算结果及分析
• 3.4 仿生蜂巢形密封环在离心泵中密封效果的探讨
• 3.4.1 研究对象的基本参数
• 3.4.2 数值计算模型的选择
• 3.4.3 网格技术
• 3.4.4 边界条件的给定
• 3.4.5 进出口边界压力值的给定
• 3.4.6 计算结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 高温高压离心泵三维非定常流动计算
• 4.1 监测点设置
• 4.2 三维非定常湍流流动计算方法
• 4.3 压力脉动结果分析
• 4.3.1 设计流量压力脉动结果分析
• 4.3.2 0.6 倍设计流量压力脉动结果分析
• 4.3.3 1.4 倍设计流量压力脉动结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 压水室的流动分析及泵壳初步改型
• 5.1 离心泵各部件的效率损失分析
• 5.1.1 导叶内的效率损失
• 5.1.2 泵壳及出水管的效率损失
• 5.2 泵壳的初步改进方案—减小泵壳尺寸
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文的主要研究成果
• 6.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果