核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟(完整版).docx

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1、核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载）核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟龙云，朱荣生，付强，袁寿其，习毅( 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212021)龙云摘要: 为研究小流量工况下核主泵驼峰现象，通过三维软件 Pro / E 对核主泵内部流道进行三维 造型，基于雷诺时均 N S 方程和 k 湍流模型两方程及 SIMPLEC 算法，应用计算流体力学软 件 CFX 对核主泵小流量工况进行了定常数值模拟和分析 结果表明: 采用定常数值模拟，可以阐明小流量区域的不稳定驼峰现象 泵壳出口位于泵壳的中心，使得

2、沿叶轮旋转方向的主流与出 口处的液体发生摩擦和碰撞，造成能量损失，导致内部流场分布不均匀 核主泵对称性结构、叶 轮叶片进口和出口复杂旋涡、导叶内复杂的回流以及泵的旋转失速与不稳定驼峰的形成都有密 切的联系 核主泵在小流量下运行时，出现不稳定流动，严重时会引起泵的振动关键词: 核主泵; 驼峰; 小流量; 数值模拟中图分类号:TH311; S277 9文献标志码:文章编号:1674 8530( 2021) 04 0290 06A龙云，朱荣生，付强，等 核主泵小流量工况下不稳定流动数值模拟J 排灌机械工程学报，2021，32( 4) : 290 295Numerical analysis on un

3、stable flow of reactor coolant pump under small flow rate conditionLong Yun，Zhu ongsheng，Fu Qiang，Yuan Shouqi，Xi Yi( National esearch Center of Pumps，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212021，China)Abstract: For the study on hump phenomenon of an reactor coolant pump，three-dimensional modeling for

4、 the pump internal flow was done by Pro / E，and based on the eynolds averaged Navier Stokesequations with the NG k turbulence model and SIMPLEC algorithm，the flow was calculated usingthe computational fluid dynamics software CFX The results show that: the numerical simulation me- thod used is feasib

5、le to explain unsteady hump phenomenon of reactor coolant pump under small flow rate conditions Pump outlet is located in the center of the pump shell，making the mainstream along the direction of rotation friction crashing with the liquid at the outlet，resulting in energy loss and lea- ding to the u

6、neven distribution of the flow field The symmetric structure of reactor coolant pumps，the complex vortex near inlet and outlet of impeller blades，secondary flow in guide vanes region and rota- ting stall are closely related to the formation of the hump The reactor coolant pump running under small fl

7、ow conditions will cause unstable flow，which can result in severe vibrationKey words: reactor coolant pump; hump phenomenon; small flow rate; numerical simulation核反应堆冷却剂主循环泵简称核主泵，是确保 核电站安全和可靠运行的最关键动力设备，属于核 I 级泵 它是核岛内唯一高速旋转设备，也是一回路的压力边界之一 核主泵长期稳定安全地运行对冷 却堆芯及防止核电站事故的发生尤为重要，因此核 主泵常被喻为核电站的心脏1 在小流量工况运行收稿

8、日期: 2021 01 09; 网络出版时间: 2021 04 09网络出版地址: : / / www cnki net / kcms / doi /10 3969 / j issn 1674 8530 13 0024 html基金项目: 国家自然科学基金资助项目( E090602) ; 江苏省自然科学基金资助项目( BK2021504) ; 江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介: 龙云( 1988) ，男，江苏宿迁人，硕士研究生( longyunfighting sina com) ，主要从事流体机械水力设计及内部流动研究朱荣生( 1964) ，男，湖南永州人，研究员( zrs ujs

9、edu cn) ，主要从事流体机械水力设计及内部流动研究时产生的驼峰现象会造成核主泵小流量区域的不稳 定流动 状 态，使 泵 产 生 振 动、噪 声、压 力 脉 动 等 现象2 3国内外学者针对水泵流量扬程曲线中的不稳定 驼峰现象已有一些相关性研究 Sano 等4基于试验 方法测量各流道内的压力波动，并采用油膜可视化 技术研究扩散段的流动结构，认为叶轮导叶间隙影 响失速的传播速度和方向，泵的驼峰和扩散段的旋 转失速关系密切 Miyabe 等5采用 PIV 和压力脉动 测量方法，分析了带导叶的混流泵在驼峰区域的不 稳定性，认为驼峰区域的产生和导叶内的旋转失速 单元有密切的联系 Kevin 等6

10、通过对双蜗壳高比 转数离心泵的试验研究，认为不稳定驼峰的产生与 叶轮叶片进口区域存在的高压力梯度边界层有密切 关联 Liu Jintao 等7基于改进的空化模型对水泵水 轮机泵工况下的驼峰特性进行模拟研究，结果表明 水泵水轮机的驼峰特性与其内部的空泡流有关，且 很好地验证了试验结果 刘竹青等8通过对弯掠叶 片高速轴流泵进行全三维流道整机数值模拟，得到 其外特性曲线，研究表明合理的弯掠叶片可有效改 善原型叶片轴流泵出现的“驼峰区”，控制叶顶二次 流的发生及发展，回收端壁二次流的能量损失，从而 改善轴流泵在驼峰区的运行性能 冉红娟等9对具 有高部分负荷驼峰的水泵水轮机泵工况进行了定常 数值模拟和分

11、析，并与试验结果进行了对比，得出定 常的数值模拟能够反映出驼峰问题的症结，并通过 进一步内部流动的分析发现，转轮进出口处两段区 域的流态和驼峰的形成有密切联系 总之，由于泵在 驼峰区域运行时的流态十分复杂，迄今为止对驼峰性，泵壳设计成类似球形10 利用 Pro / E 软件建立 叶轮、导叶、泵壳的几何模型，主泵三维结构和三维 网格如图 1 所示图 1 主泵三维造型与网格划分Fig 1 3D modelling and meshing of reactor coolant pump1. 2 网格及计算区域划分根据核主泵的流动特性将流动区域分为 4 个区 域: 静止区 1 ( 进口流道) 、静 止

12、 区 2 ( 类 球 形 压 水 室) 、静止区 3 ( 导叶) 、旋转区( 叶轮) 为获得更稳 定的流态，延长一定程度的叶轮进口段 在 Work- bench 中对三维模型进行网格划分，在确保网格的 计算精度和计算结果准确性的基础上，因混合网格 技术有结构化与非结构化网格兼有的优点，并且生 成方便、快速，采用自动划分法进行网格划分，对叶 轮调整单元尺寸加密划分 结果如下: 进口流道的网 格数为 142 800，蜗壳网格数为 538 468，叶轮网格数 为 764 378，导叶网格数为 237 442，网格质量和网格 无关性检查良好，三维网格如图 1b 所示1. 3 控制方程假定流体不可压缩，

13、则连续性方程为ui = 0，( 1)xi的成因尚未形成统一的解释 文中采用定常数值模拟，对核主泵在失水事故时水泵工况下小流量区域 的内部流动进行数值模拟，旨在为核主泵的水力优动量方程为，i j ( u u ) = p + ( ui u u )化设计提供参考，克服小流量不稳定驼峰现象，确保xjxixjxji j( 2)核主泵安全稳定运行1数值计算方法式中: p 为平均静压; ui 为速度脉动量; 为液体密 度; ui 为 i 方向的雷诺平均速度，i = 1，2，32标准 k 方程为C k1. 1泵的基本参数根据 AP1000 核主泵参数，额定流量 Q = 17 886( kui )t =，( 3

14、) ()kt km3 / h，额定扬程 H = 111. 3 m，转速 n = 1 450 r / min，= + G ， ( 4)xx xijkj比转数 ns = 344，设 计 压 力 17. 13 MPa，设 计 温 度( ui ) C 2G= ( + t ) +1k C2 ，( 5)343. 3 ，叶轮进口直径 D1 = 546 mm，叶轮外径 D2 =xixj xjkk708 mm，进行叶轮、导叶、泵体等水力部件设计 采Gk = t( ui+ uj )ui，( 6)用混流式叶轮，扭曲空间导叶 考虑耐压和运行安全xjxixj式中: t 为 湍 动 黏 度; Gk 为湍动能生成 项; C

15、1 = 1. 44; C2 = 1. 92; C = 0. 09; = 1. 3; k = 1. 01. 4计算方法及边界条件在流量一定时，为了得到更加准确的速度和压力 梯度，进口采用压力进口条件，出口采用质量出流边 界条件 壁面采用无滑移壁面边界条件 为了更好地 处理流动边界层，在近壁区域采用标准壁面函数 输 送介质为清水11 采用 SIMPLE 算法实现速度和压力 之间的耦合 计算过程中的亚松弛因子均采用 CFX 软件的默认值，残差收敛精度设置为 10 5 2计算结果及分析为了便于后处理，更好地分析在小流量工况下 主泵内部流动状态，建立一个垂直于旋转轴的等值 面 A A，截面 A A 是球

16、形压水室轴向的中心断面， 用来观察泵壳内小流量驼峰不稳定流动图 2 为核主泵模型泵样机，在试验中泵在小流 量区域( 低于 0. 50Q) 运行时振动明显，说明泵的内 部流态产生不稳定现象图 2 模型泵样机试验Fig 2 Model pump prototype experiment图 3 为通过数值模拟得到的泵的扬程 流量曲 线，图中 QOP 为泵运行工况流量，HOP 为运行工况的 扬程，图中显示在 0. 10Q 0. 40Q 范围内，出现了不 稳定驼峰现象 从整体上，可以通过数值计算反映核主泵在泵工况小流量区域运行时的不稳定现象图 3 泵的全流域流量 扬程曲线Fig 3 Pump head

17、curve2. 1全流道流场分析图 4 为核主泵模型在 0. 30Q 工况下的全流道流 线图，图中 v 为速度 图 4 显示，偏离叶轮的进口管 段，流体流动情况未受到叶轮旋转影响，与进口入流 一样垂直流入泵内，迹线平直 在叶轮进口附近，流线 出现预旋，在叶轮和导叶流道内流线发生旋转，与叶 轮旋转方向一致且分布较均匀 在叶轮和导叶交界 处，受叶轮导叶动静干涉明显，出现流线缠绕，在叶轮 叶片出口末端，出现回流 在叶轮和导叶间隙流速较 大，易形成射流 在隔舌处( 核主泵对称式结构的隔舌 按常规泵旋转方向和蜗壳的出流方式判别) 导叶出流 和蜗壳出流撞击，流速较低，流线稀疏图 4 0. 30Q 工况下的

18、全流域流线Fig 4 Streamline in whole flow passage under 0. 30Q condition2. 2静压分布图 5 为泵在截面 A A 小流量工况下静压分布 图，图中 p 为静压图 5 小流量区域静压分布Fig 5 Pressure distribution under small flow rate conditions从图 5 可以看出，各工况下静压在叶轮进口处 最小，因为叶轮对流体做功，随后沿流动方向逐渐增 大; 而后因为球形压水室将动能转换为压能，在导叶 流道内进口处静压逐渐增大，在球壳内静压达到最 大值 随着流量的增大，蜗壳和导叶内的压力不断减

19、 小，叶轮旋转时产生的压力场呈非对称分布 出水管 始端的压力分布也呈现明显的区别，这是因为主泵 结构采用对称形式 随着流量变大，全流道内的压力 变化 更 加 均 匀，说明流动更稳 定，而 在 0. 20Q 0. 40Q 的小流量区域，压力变化呈现不均匀，说明在 全流道存在不稳定流动现象，易造成泵的振动2. 3 速度云图图 6 为泵在截面 A A 小流量工况下的速度云 图 从图中可以看出，核主泵的速度云图呈现不完全 对称分布，主泵内部区域流场存在明显区别 0. 20Q 0. 60Q，主泵内部出水段和球形压水室交界附近 高速度云图面积逐渐变大，说明主泵内的出流变得 更加顺畅，而且主泵结构的对称性导

20、致速度云图呈不完全对称分布，使得隔舌处流体不容易流出，一部 分流体产生撞击不能一次性流出泵壳，在泵壳内滞 留从而形成复杂涡结构 而在峰谷 0. 30Q 处，隔舌 处速度云图分布明显区别于其他工况的分布，该处 的等速度云图并未向出口段延伸，说明主泵内的液 流在该处受结构影响形成高压区; 在叶片出口和导 叶进口处，明显看出该处的速度值大于其他工况，说 明该处流道内存在更强烈的动静叶干涉等复杂流动 现 象; 在叶片导叶流道 内，相 比 于 0. 60Q 工 况， 0. 30Q 工况下的速度云图分布不流畅，且在叶片进 口处和导叶出口处，速度云图也异常于 0. 60Q，存在 不等值分布，说明在主泵叶片区

21、域以及导叶区域形 成了二次流图示各工况下导叶流道均出现高速液流，形成 射流 泵在小流量各工况下出现旋转失速时，叶轮与 导叶之间的间隙会泄漏出一部分分流，此泄流的速 度远高于叶轮的转速122. 4湍动能分析图 6 小流量区域速度云图Fig 6 Velocity distribution under small flow rate conditions高湍动能区，主要存在于出口段对应的导叶进口流图 7 为泵在截面 A A 小流量工况下湍动能分布 图，图中 T 为湍动能 从图中可以看出，在 0. 10Q 0. 40Q 工况下，叶轮叶片进口处、叶轮叶片背面出口 处和导叶进口处湍动能较大，表明此处有较大

22、的能 量损失; 按叶轮旋转方向分布极不规律，且存在局部道内，在 0. 60Q 工况下，未出现局部高湍动能，这表 明在 0. 10Q 0. 40Q 工况下，主泵内部流动不稳定， 易造成较大的能量损失 在 0. 10Q 工况下出口段存 在较大湍动能区，主要原因是对称式压水室对液体 出流产生影响图 7 小流量区域湍动能分布Fig 7 Turbulence kinetic energy distribution under small flow rate conditions2. 5面流线分布图 8 为泵在截面 A A 小流量工况下流线分布 图 在 0. 10Q 工况下，叶轮叶片背面出口末端以及 导叶

23、末端均出现明显的涡，0. 20Q，0. 25Q 和 0. 30Q 在叶轮叶片背面出口末端以及导叶末端也出现明显 的涡 而在 0. 40Q，0. 60Q 工况却未出现上述的涡， 造成这一现象的原因可能是由于泵自身在小流量时 受旋转失速影响易发生叶轮和导叶流道的二次流 液体在导叶进口边的吸入侧发生分离，导致产生不稳定旋涡，由于失速中心作用，导叶叶片进口处静压 最小，反向压力梯度迅速增大，因此导叶各流道产生 回流，叶轮出口处的流体受回流影响，总压能损失增 加13 14 在 0. 10Q 工况下，蜗壳出水段也出现了明 显的回流，随着流量的增大，回流消失，但速度流线在 出水段呈不等值分布，泵壳出口位于泵

24、壳的中心，对 流体流动有很大影响，沿叶轮旋转方向的主流与出口 处的液体相互之间发生摩擦和碰撞，造成能量损失， 也使得内部流态分布不均匀图 8 小流量区域流线分布Fig 8 Streamline distribution under small flow rate conditions2. 6叶轮和导叶流道内的流线分布图 9 为小流量区域的叶轮和导叶流道内的流线 分布 在 0. 10Q，0. 30Q 工况下，流道内流线的缠绕 明显，在叶轮叶片出口和导叶进出口都出现复杂的 旋涡，其流态在全流道中是非对称的，而在 0. 60Q 工况下，流线比较顺畅，未出现类似旋涡 这表明由 于复杂旋涡的存在阻塞了部

25、分流道，改变了叶轮和 导叶流道的负荷变化，改变了叶轮对流体所做的功， 导致主泵在小流量区域产生不稳定驼峰现象 所以， 小流量驼峰的产生与叶轮导叶流道内的复杂旋涡以 及全流道流态的非对称性有密切关系图 9 叶轮和导叶流道内的流线分布Fig 9 Streamline distribution in impeller and guide vine passage3结论核主泵在小流量下运行时，出现不稳定流动，严 重时会引起泵的振动，文中对小流量工况不稳定现象分析结果如下:1) 通过对小流量区域的定常数值模拟，对计算 结果进行分析，可以解释小流量区域的不稳定驼峰现象2) 泵壳出口位于泵壳的中心，对流体流

26、动有很 大影响，沿叶轮旋转方向的主流与出口处的液体相 互之间发生摩擦和碰撞，造成能量损失，导致内部流场分布不均匀3) 核主泵对称性结构、叶轮叶片进口和出口复 杂旋涡、泵的旋转失速以及导叶内复杂的回流与驼峰的形成都有密切的联系参考文献( eferences)1 蔡龙，张丽平 浅谈压水堆核电站主泵J 水泵技 术，2007( 4) : 1 9Cai Long，Zhang Liping Discussion of PW main pumpJ Pump Technology，2007 ( 4 ) : 1 9 ( in Chi- nese)2 牟介刚，张生昌，郑水华，等 离心泵性能曲线产生驼 峰的机理及消

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29、JSME In- ternational Journal，Series B: Fluids and Thermal Engi- neering，2002，45( 4) : 810 8195 Masahiro M，Hideaki M，Isamu U，et al Unstable head-flow characteristic generation mechanism of a low specific speed mixed flow pump J Journal of Thermal Science，2006，1( 2) : 115 1206 Kaupert Kevin A，Staubli

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35、iffuser of a centrifugal pump J Journal of Fluids Engineering，2001，123( 3) : 490 49913 Wang H，Tsukamoto H Experimental and numerical study of unsteady flow in a diffuser pump at off-design conditionsJ Journal of Fluids Engineering，2003， 125( 5) : 767 77814 潘中永，李俊杰，李红，等 叶片泵旋转失速的研究进 展J 流体机械，2021，39( 2) : 35 39Pan Zhongyong，Li Junjie，Li Hong，et al Overview for research on rotating stall of pump J Fluid Machinery， 2021，39( 2) : 35 39 ( in Chinese)( 责任编辑朱漪云)