基于CFD的1000MW级核主泵水力模型模化计算方法研究

论文摘要

核反应堆冷却剂泵,又叫做核主泵,是反应堆冷却剂系统唯一高速运转的设备,它的作用是为反应堆冷却剂提供驱动压头,从而保证足够的强迫循环流量通过堆芯。作为核电厂的核心部件,核主泵必须能在高温、高压、强辐射环境下,长期、安全、可靠地运行,这就对它的设计和制造提出了很高要求。当前,由于国外少数几个核大国对核主泵技术的垄断和封锁,作为主泵关键零部件的叶轮、导叶等水力部件的设计和制造,仍然完全依赖国外进口,国内对核主泵全工况真实三维粘性流动的研究尚处于空白,因此研究核主泵的设计具有重大的理论价值和深远的现实意义。本文对设计工况下核主泵过流部件水力模型的设计理论和方法进行了先期的探索性研究,运用CFD的研究方法,利用先进的商业计算软件,对自主设计的核主泵进行了的全流场三维定常湍流数值模拟计算,并对比分析了叶轮、导叶、蜗壳在不同设计方案下的优劣,最终得到了水力性能良好的百万千瓦级核主泵的初步水力模型。作为本文研究的重点,在叶轮设计中,研究了一种新的模型变换控制的设计方法,相比于传统的水泵速度系数设计方法,利用该方法,可以在已有的比转速相近的优秀叶轮模型的基础上,比较快速有效地形成新的核主泵叶轮。该设计方法考虑了效率对模型系数的影响,在传统的模型变换基础上,融入了CFD数值模拟设计方法,可以在严格保证设计压力、温度、流量、转速等参数的前提下,得到精确符合设计扬程要求的新叶轮。导叶的设计采用导叶与叶轮配合的设计方法,设计中,通过对比多种设计方案发现,采用进口与轴线平行的方法设计的导叶水力性能最好,对流场内漩涡控制也最为理想,且导叶叶片数对总效率影响不大,可以忽略不计。针对蜗壳设计,主要研究了多种蜗壳出口方案,尤其是蜗舌结构对蜗壳内部流动的影响。研究表明蜗舌处钝角设计的侧向出口结构更加符合蜗壳内流体的流动规律,整机效率最佳。最后通过计算分析本文优化设计的核主泵的全工况性能,确定了水力性能较优的百万千万级核主泵的初步水力模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 核主泵概述
• 1.2.1 核主泵在核电厂的作用
• 1.2.2 核主泵的发展及国产化现状
• 1.2.3 核主泵特殊技术要求
• 1.3 核主泵水力设计难点
• 1.4 CFD在混流泵设计中的应用
• 1.5 本文的主要研究工作及创新点
• 2 数值计算方法
• 2.1 流动控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流模型概述
• 2.2.2 湍流模型的选取
• 2.3 离散方法
• 2.3.1 NUMECA空间离散法
• 2.3.2 NUMECA时间推进法
• 2.3.3 隐式残差光顺技术
• 2.4 网格生成技术
• 2.5 多重网格
• 2.6 本章小结
• 3 核主泵模型叶轮的数值研究
• 3.1 计算模型的建立
• 3.1.1 几何模型的建立及网格的划分
• 3.1.2 流动模型的设置
• 3.1.3 边界条件及相关参数的设置
• 3.2 计算模型的合理性验证
• 3.3 计算结果分析以及优化方案的确定
• 3.3.1 压力分析
• 3.3.2 流场分析
• 3.4 本章小结
• 4 核主泵模型叶轮的优化设计
• 4.1 叶轮优化设计方法综述
• 4.2 Design3D气动优化设计
• 4.3 核主泵模型叶片的参数化造型
• 4.4 核主泵模型叶片的优化设计
• 4.5 优化结果分析
• 4.5.1 叶型对叶轮总体性能的影响
• 4.5.2 叶型对叶轮流动性能的影响
• 4.6 本章小结
• 5 核主泵叶轮的设计
• 5.1 核主泵叶轮设计方法概述
• 5.2 核主泵叶轮的模型变换设计
• 5.2.1 核主泵叶轮设计的参数选取
• 5.2.2 核主泵叶轮的模型变换设计及其结果分析
• 5.3 核主泵叶轮的模化计算方法
• 5.3.1 传统的模型变换法的问题探究
• 5.3.2 改进的模化计算方法
• 5.3.3 模化计算方法在核主泵叶轮设计中的应用
• 5.4 本章小结
• 6 核主泵导叶的设计
• 6.1 核主泵导叶概述
• 6.2 核主泵导叶的基础设计
• 6.2.1 直导叶设计
• 6.2.2 数值建模
• 6.2.3 计算结果分析
• 6.4 核主泵导叶的多种优化方案
• 6.4.1 直叶片的优化设计
• 6.4.2 空间扭曲叶片设计
• 6.5 叶片个数对导叶流动性能的影响
• 6.6 本章小结
• 7 核主泵蜗壳设计及整机性能确定
• 7.1 核主泵蜗壳概述
• 7.2 核主泵蜗壳的优化设计
• 7.2.1 等截面蜗壳的基础设计
• 7.2.2 蜗舌形状对蜗壳流动性能的影响
• 7.2.3 蜗壳出口对蜗壳流动性能的影响
• 7.3 核主泵全工况性能分析
• 7.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢