屏蔽式核主泵多工況下內(nèi)部流動(dòng)特征分析

程效銳，張舒研，陳紅杏

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學(xué)甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

當(dāng)前，我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，確保能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展已成為整個(gè)社會(huì)高度重視的問(wèn)題。核電站種類(lèi)繁多，目前技術(shù)應(yīng)用相對(duì)成熟、安全可靠性較高且經(jīng)濟(jì)效益較好的是壓水堆核電站[1]。它主要是由核島、常規(guī)以及電站配套設(shè)備組成，而核主泵是核島一回路系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備部件，也因此被稱為核島的“心臟”[2]。它的主要作用是在核主泵系統(tǒng)充水時(shí)去除并驅(qū)趕多余的氣體；在核反應(yīng)堆開(kāi)始工作前使循環(huán)系統(tǒng)升溫；在正常運(yùn)行的工況條件下確保一回路冷卻劑的循環(huán)能夠冷卻反應(yīng)堆堆芯；在事故出現(xiàn)的時(shí)候防止核事故擴(kuò)大[3]。這些特點(diǎn)也對(duì)核主泵的過(guò)流部件提出了更高的要求，因此對(duì)核主泵內(nèi)部流動(dòng)特征的研究有助于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出性能更為優(yōu)良的水力模型。

目前，關(guān)于核主泵內(nèi)部流動(dòng)特性的研究主要有試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算兩種方法。郝曼等[4]以低比轉(zhuǎn)速ns=68的離心泵為研究對(duì)象，利用k-ε湍流模型和SIMPLEC算法及完全空化模型對(duì)其全流道的非空化流和空化流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。朱榮生等[5]采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法對(duì)核主泵的正轉(zhuǎn)全工況不同含氣率冷卻介質(zhì)的泵水力性能、流道內(nèi)部氣體體積分布情況及流體流態(tài)進(jìn)行研究。程效銳等[6]對(duì)核主泵導(dǎo)葉在不同周向位置縮比模型的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行全三維非定常數(shù)值計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉周向位置對(duì)導(dǎo)葉下游的內(nèi)部流動(dòng)影響較大，合適的導(dǎo)葉周向位置可有效改善泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)分布，降低泵的振動(dòng)。賴喜德等[7]通過(guò)改變NPSHa模擬試驗(yàn)工況，預(yù)測(cè)出各工況下的揚(yáng)程及流道內(nèi)空泡分布等，結(jié)果表明模擬結(jié)果與試驗(yàn)值誤差小于10%。蒲道林[8]通過(guò)變頻方式改變轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速對(duì)AP1000核主泵水力性能的影響，結(jié)果表明50 Hz時(shí)該水力樣機(jī)的過(guò)流部件滿足設(shè)計(jì)要求，其性能曲線具有混流泵的特點(diǎn)。劉夏杰[9]研究了斷電事故下核主泵流動(dòng)及振動(dòng)特性，通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了斷電事故會(huì)對(duì)核主泵的流動(dòng)及振動(dòng)特性造成一定的影響，其結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)核主泵在發(fā)生斷電事故時(shí)的運(yùn)行特性。黎義斌等[10]為了提高核主泵整機(jī)效率，基于動(dòng)靜葉柵幾何參數(shù)的匹配關(guān)系，采用正交試驗(yàn)方法，選取調(diào)控比面積的三因素及三水平，探討比面積對(duì)泵水力性能的影響機(jī)制并確定出最優(yōu)組合方案。

本文利用ANSYS CFX數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)某一型號(hào)屏蔽式核主泵在運(yùn)行工況下進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算并對(duì)模型泵進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；同時(shí)，對(duì)比分析了不同運(yùn)行工況下核主泵的壓力分布與速度分布，描述了各個(gè)水力部件的內(nèi)部流場(chǎng)特征，探討造成這些現(xiàn)象的原因，以期為今后核主泵水力部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 基本參數(shù)與計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用縮比系數(shù)為0.4的某型屏蔽式核反應(yīng)堆冷卻劑泵。經(jīng)相似換算后模型泵主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，其輸送介質(zhì)為清水。利用Pro/E三維造型軟件對(duì)核泵模型泵的計(jì)算域進(jìn)行建模，計(jì)算域由出口段、壓水室、導(dǎo)葉、葉輪和進(jìn)口段共同組成。為了避免進(jìn)出口位置的速度梯度較大而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)泵的進(jìn)、出口進(jìn)行適當(dāng)延長(zhǎng)，三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 模型泵主要技術(shù)參數(shù)

圖1 核主泵示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

采用自適應(yīng)性良好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分整個(gè)計(jì)算域，同時(shí)不斷調(diào)整網(wǎng)格的單元精度并找出質(zhì)量較差的網(wǎng)格區(qū)域，消除流體域中尖銳頂角，降低網(wǎng)格的扭曲率，以便提高計(jì)算精度。對(duì)葉輪和導(dǎo)葉流道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密處理，并對(duì)計(jì)算網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查，如圖2所示。從圖2中能夠看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于590萬(wàn)時(shí)，核主泵效率變化小于0.3%。最終確定模型泵網(wǎng)格總數(shù)約為590萬(wàn)，其中葉輪、導(dǎo)葉和壓水室的網(wǎng)格數(shù)各為190萬(wàn)、152萬(wàn)和150萬(wàn)，如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

圖3 葉輪、導(dǎo)葉和壓水室網(wǎng)格劃分

2 控制方程與邊界條件

2.1 控制方程與算法

2.1.1 控制方程

核主泵中的流動(dòng)屬于復(fù)雜的三維粘性湍流流動(dòng)。本文將泵內(nèi)的流體屬性定義為不可壓縮流體，在研究非熱力學(xué)因素的狀況下，忽略介質(zhì)溫度變化的影響，因此在研究核主泵內(nèi)部流動(dòng)的狀況時(shí)，只需要考慮連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。此時(shí)，在直角坐標(biāo)系中的均質(zhì)流模型的連續(xù)性與動(dòng)量方程可以寫(xiě)為：

(1)

(2)

ρ=ρvαv+ρl(1-αl)

(3)

式中：ρ為密度；δij為克羅內(nèi)克數(shù)；ui、uj為速度分量；α為體積分?jǐn)?shù)；μ、μt為混合介質(zhì)動(dòng)力黏度、湍流黏度；下標(biāo)v、l表示氣體和液體。

2.1.2 湍流模型

本研究中擬選用Yakhot提出的RNGk-ε湍流模型。它在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基礎(chǔ)上將泵內(nèi)環(huán)量與速度分布對(duì)抑制回流的影響以及平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)與旋流流動(dòng)考慮在內(nèi)，利用修正后的黏性項(xiàng)以及大尺度的運(yùn)動(dòng)從而表示出對(duì)于小尺度的影響，因此能夠更好地處理高應(yīng)變率、回流、流線彎曲程度較大與強(qiáng)旋度情況的流動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)漩渦與強(qiáng)流線彎曲等流動(dòng)有著較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)[11-12]。其湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的方程分別可以表示為：

(4)

(5)

(6)

式中：Cμ=0.0845，ακ=αε=1.393，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η0=4.38，β=0.012。

2.1.3 算法

1)坐標(biāo)系選擇。本研究中選用多重參考坐標(biāo)系模型。除了靜止泵殼和旋轉(zhuǎn)葉輪之間的耦合應(yīng)用旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系之外，其余的靜止部件使用絕對(duì)坐標(biāo)系。

2)求解方法[13]。使用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法從而使得壓力和速度之間的耦合，對(duì)連續(xù)性方程與動(dòng)量方程耦合求解，其核心是采用“猜測(cè)—修正”的過(guò)程。SIMPLE算法的基本思想是對(duì)于給定的壓力場(chǎng)(該值可以是某一假定值或者為上一次迭代計(jì)算得到的結(jié)果值)，求解離散形式的動(dòng)量方程，得到速度場(chǎng)。同時(shí)，使用基于有限元的有限體積法來(lái)離散控制方程，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式。通過(guò)SIMPLE算法獲得的壓力對(duì)于速度場(chǎng)的修正十分有效，但是該方法對(duì)全流場(chǎng)的迭代收斂速度較慢。

2.2 邊界條件設(shè)置

1)進(jìn)口條件。在計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口，使用均勻來(lái)流的條件，采用速度進(jìn)口條件并給定速度值，同時(shí)假定速度進(jìn)口方向垂直于進(jìn)口管進(jìn)口截面。

2)出口條件。由于模型泵的出口斷面面積恒定，變量在出口處的擴(kuò)散值為零，因而選用自由出流條件。

3)壁面條件。壁面是湍流與渦量產(chǎn)生的主要因素之一，對(duì)壁面的處理會(huì)明顯提高數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度。本文在固壁處均采用無(wú)滑移的邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 模型泵外特性驗(yàn)證

為了確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果的真實(shí)與可靠，將核泵模型泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)同數(shù)值模擬出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行比較。如圖4所示，該試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)為四象限試驗(yàn)臺(tái)，其精度等級(jí)為2級(jí)。采用0.1級(jí)精度等級(jí)的電容式壓力傳感器測(cè)量泵的進(jìn)出口壓力，采用0.5級(jí)精度等級(jí)的電磁流量計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體的體積流量，功率與轉(zhuǎn)速通過(guò)安裝于電動(dòng)機(jī)和模型泵間的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)測(cè)量，輸入功率與轉(zhuǎn)速可在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率測(cè)量?jī)x上顯示[14]。

圖4 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)測(cè)試管路圖

泵揚(yáng)程和效率的計(jì)算公式如下：

(7)

η=ηhηvηm

(8)

式中：H為模型泵的揚(yáng)程；η為模型泵的效率；ηh為水力效率；ηv為容積效率；ηm為機(jī)械效率；v1和v2分邊為模型泵進(jìn)出口的速度平均值；P1和P2分別為模型泵進(jìn)出口的壓力平均值；ΔZ為模型泵出口與進(jìn)口的高度差值；Q為模型泵的流量；P為模型泵的輸入功率；ρ為流體密度；g為重力加速度。

(9)

式中：ω為葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；Q為流量，m3/s；M為作用于葉輪葉片上的轉(zhuǎn)矩，N·m。設(shè)計(jì)流量為qd；qv為一般流量工況。

(10)

式中，ns為比轉(zhuǎn)速。

機(jī)械效率(只考慮圓盤(pán)摩擦損失)為

(11)

圖5為運(yùn)行工況下核主泵的揚(yáng)程和效率曲線。橫坐標(biāo)是核主泵不同工況下的流量比Q/Qd，Q是各工況下的流量，Qd是設(shè)計(jì)工況下的流量。本文在0.8Qd、0.9Qd、1.0Qd、1.1Qd和1.2Qd共5種工況下，對(duì)縮比模型泵的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，繪制出泵的外特性曲線，并與閉式試驗(yàn)臺(tái)所做試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖5可看出，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果在趨勢(shì)上一致。核泵模型泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的揚(yáng)程模擬值為17.8 m，試驗(yàn)值為17.3 m，兩者相對(duì)誤差為2.9%；設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率模擬值為84.4%，試驗(yàn)值為82.5%，兩者相對(duì)誤差為2.23%。當(dāng)在不同的流量工況時(shí)，揚(yáng)程和效率的計(jì)算誤差稍微變大，但二者的相對(duì)誤差都低于5%。特別是在小流量工況下，揚(yáng)程與效率的模擬值略大于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這是因?yàn)橥牧髂Ｐ蛯?duì)小流量下模型泵內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)表現(xiàn)得不夠精確。由于在數(shù)值計(jì)算的邊界條件設(shè)置中較為理想化且沒(méi)有考慮各個(gè)壁面的粗糙度，加上僅計(jì)算了水力損失，并沒(méi)有考慮泵的摩擦損失與容積泄露等原因，因此揚(yáng)程和效率稍高。綜上所述，此模型泵數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果能比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)此模型泵的外特性，能夠適用于本研究。

圖5 模型泵性能曲線

3.2 核主泵內(nèi)壓力分布

模型泵結(jié)構(gòu)如圖6所示。取圖6中所示的A-A剖面，該剖面經(jīng)過(guò)葉輪與導(dǎo)葉部分葉片，能夠較好地分析泵內(nèi)壓力與速度的流場(chǎng)特征。

圖6 模型泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為不同工況下泵內(nèi)靜壓分布。圖8為葉輪工作面與背面壓力分布。從圖7與圖8上能夠看出：隨著葉輪進(jìn)口到出口中間流線位置的變化，葉輪的進(jìn)口處?kù)o壓值最小，壓水室外壁的靜壓值最大；從葉輪進(jìn)口到壓水室外壁，靜壓值逐漸增大。其原因在于流道的不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致了靜壓值持續(xù)上升。這也說(shuō)明所設(shè)計(jì)的模型泵混流式葉輪能很好地符合流體的流動(dòng)規(guī)律，其水力性能與工作狀態(tài)較好。

(a)0.8Qd

(b)1.0Qd

(c)1.2Qd

在這3種不同工況下左側(cè)導(dǎo)葉的出口壓力沿順時(shí)針?lè)较虮憩F(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。這是由于核主泵采用環(huán)形壓水室的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)迫使導(dǎo)葉流道內(nèi)部對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行重新分布，當(dāng)流體從左側(cè)導(dǎo)葉流出時(shí)部分流體會(huì)直接從壓水室出口的擴(kuò)散段流出，其余部分會(huì)經(jīng)由環(huán)形壓水室左側(cè)沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向繞流至右側(cè)出口流出，導(dǎo)致壓力梯度在左側(cè)的導(dǎo)葉出口位置附近變化相對(duì)明顯。受模型泵的葉輪結(jié)構(gòu)限制，流道中壓力最低點(diǎn)處于葉片進(jìn)口稍后位置。此外，該處位于流道轉(zhuǎn)彎的內(nèi)壁，流體將在該處由進(jìn)口段的軸向運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于流體具有離心效應(yīng)，此處壓力偏低，流速較大。需要指出的是，由于葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)水流產(chǎn)生影響，所以葉片背面的壓力要低于工作面，因此這一區(qū)域容易出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

從圖8還可以看出，在葉片流線相對(duì)位置0.8以后，流體的壓力呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。其原因有二：一是由于葉輪葉片與導(dǎo)葉葉片的交界面存在干涉，當(dāng)流體從葉輪流道流出時(shí)會(huì)與導(dǎo)葉葉片的進(jìn)口邊產(chǎn)生沖擊作用并形成回流，而回流會(huì)導(dǎo)致位于葉輪流道出口位置的液體流動(dòng)不穩(wěn)定；二是因?yàn)槿~輪葉片兩側(cè)存在壓差，進(jìn)而在葉輪出口處易產(chǎn)生漩渦與回流等復(fù)雜的流動(dòng)。

圖9為不同工況下壓力沿導(dǎo)葉工作面與背面的變化規(guī)律曲線。從圖中看出，隨著流量的增大，導(dǎo)葉工作面與背面的壓力都表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在1.2Qd工況時(shí)下降程度更明顯。這主要是由于隨著流量的增大葉輪葉片的做功能力減弱，致使進(jìn)入導(dǎo)葉進(jìn)口流體的壓力降低造成的?？梢园l(fā)現(xiàn)，在3種不同流量工況下，導(dǎo)葉進(jìn)口附近工作面壓力都顯現(xiàn)出較劇烈的波動(dòng)，其原因與流體壓力呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)原因是類(lèi)似的。

圖8 葉輪工作面與背面壓力分布

圖9 導(dǎo)葉工作面與背面壓力分布

此外可以發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)葉工作面從進(jìn)口到相對(duì)位置0.2處，壓力先出現(xiàn)降低，且流量越大下降程度也越大；但是導(dǎo)葉具有整流的作用，所以從相對(duì)位置0.2附近到出口位置，壓力波動(dòng)較為平穩(wěn)。

3.3 核主泵內(nèi)部流場(chǎng)分析

3.3.1 葉輪內(nèi)流場(chǎng)分布

圖10為不同流量下0.3lspan切面上的葉片間速度分布圖，其中l(wèi)span定義為后蓋板到前蓋板的量綱化距離[15]，0.3lspan流面如圖11所示。

圖10為葉輪0.3lspan流面速度云圖。從圖10可以發(fā)現(xiàn)：葉輪葉片背面的液流速度較高，葉輪葉片工作面附近的速度均較低；0.8Qd流量工況下葉輪流道內(nèi)液流速度梯度相對(duì)較大，1.2Qd流量下液流速度梯度相對(duì)較??；液流速度梯度沿葉輪的進(jìn)口到出口呈現(xiàn)逐步減小趨勢(shì)；高速區(qū)出現(xiàn)在葉輪葉片背面進(jìn)口位置附近。原因在于流體在葉輪葉片工作面速度相對(duì)小且壓力相對(duì)較高，同時(shí)由于流體在進(jìn)入葉輪時(shí)會(huì)與葉片的進(jìn)口邊產(chǎn)生沖擊與碰撞，使得流體流動(dòng)方向發(fā)生變化并誘發(fā)漩渦與回流等。這一現(xiàn)象符合泵的運(yùn)行規(guī)律。

圖10 葉輪0.3lspan流面速度云圖

圖11 葉輪0.3lspan流面示意圖

3.3.2 導(dǎo)葉內(nèi)流場(chǎng)分布

圖12與圖13為3種運(yùn)行工況下的導(dǎo)葉速度云圖和速度矢量分布圖。從圖中可知隨著流量的增大，導(dǎo)葉內(nèi)速度梯度先變小后變大，在0.8Qd與1.2Qd工況時(shí)導(dǎo)葉內(nèi)速度梯度都較大，在設(shè)計(jì)工況時(shí)速度梯度最小。其中0.8Qd工況時(shí)在導(dǎo)葉流道內(nèi)以低速流動(dòng)為主，1.2Qd工況時(shí)在導(dǎo)葉流道內(nèi)以高速流動(dòng)為主，這與導(dǎo)葉內(nèi)速度矢量分布較吻合。同時(shí)，由于在0.8Qd工況下葉輪出口液流角同導(dǎo)葉進(jìn)口液流角不匹配，使得在導(dǎo)葉進(jìn)口處流動(dòng)狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，在導(dǎo)葉進(jìn)口位置周?chē)霈F(xiàn)漩渦與回流等現(xiàn)象，也引起速度梯度變化較大。

圖12 導(dǎo)葉速度云圖

圖13 導(dǎo)葉速度矢量分布圖

3.3.3 泵內(nèi)速度、流線以及湍動(dòng)能分布

圖14為0.8Qd 、1.0Qd、1.2Qd工況下A-A平面的速度分布云圖。由圖可以看出，在0.8Qd工況時(shí)，速度分布最不均勻，梯度變化是最大的。在3種不同運(yùn)行工況下壓水室和出口連接處的左側(cè)區(qū)域均出現(xiàn)速度較高區(qū)，且隨著流量的增大，從導(dǎo)葉出口流出的流體逐漸與高速區(qū)匯合同時(shí)向泵的出口段延伸。然而在壓水室和出口連接處的右側(cè)區(qū)域出現(xiàn)速度較低區(qū)，且在0.8Qd工況時(shí)十分明顯，其原因是由隔舌處回流誘發(fā)的。

(a)0.8Qd

(b)1.0Qd (c)1.2Qd

(c)1.2Qd

需要指出的是，壓水室的環(huán)形流道內(nèi)速度分布沿周向表現(xiàn)出一定的非軸對(duì)稱性，其速度分布與導(dǎo)葉流道內(nèi)的速度分布具有一定的正相關(guān)性。也就是說(shuō)，導(dǎo)葉流道內(nèi)速度梯度較大的位置，與其相近的壓水室區(qū)域速度梯度也會(huì)較大，特別是在偏設(shè)計(jì)工況下十分明顯。其原因是導(dǎo)葉流道內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)經(jīng)由流動(dòng)耦合作用逐漸向下游傳遞，引起了壓水室內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與速度分布發(fā)生明顯變化，并引起了能量損失所致。

圖15為不同工況下泵內(nèi)流線分布圖?？梢钥闯觯弘S著流量的增加，壓水室內(nèi)的流線分布均勻性逐步變差，漩渦面積也隨之增大；當(dāng)在0.8Qd工況下，漩渦出現(xiàn)在隔舌處附近；當(dāng)在1.2Qd工況下，漩渦分布在整個(gè)出口段。

(a)0.8Qd

(b)1.0Qd

(c)1.2Qd

湍流動(dòng)能主要來(lái)源于時(shí)均流，通過(guò)雷諾切應(yīng)力做功的方式來(lái)給湍流提供能量[16]。王勇等[17]認(rèn)為湍動(dòng)能是引起壓力脈動(dòng)的首要原因，而空化現(xiàn)象主要是受到壓力脈動(dòng)的影響，通過(guò)壓力與速度的變化誘發(fā)了空化的產(chǎn)生。圖16為不同工況下泵內(nèi)湍動(dòng)能分布云圖。從圖中可以看出，在不同工況下模型泵在葉輪葉片出口邊周?chē)蛯?dǎo)葉進(jìn)口位置湍動(dòng)能較大，表明在以上兩處能量有較多的損失。同時(shí)，總體上看，湍動(dòng)能按照葉輪旋轉(zhuǎn)方向分布也沒(méi)有一定的規(guī)律可循，且在局部處存在高湍動(dòng)能區(qū)域。在設(shè)計(jì)工況下，湍動(dòng)能分布最為合理，能量損失也是最小的，進(jìn)而說(shuō)明設(shè)計(jì)工況下其水力性能最優(yōu)。

4 結(jié)論

本文采用RNGk-ε湍流模型與SIMPLE算法對(duì)某型屏蔽式反應(yīng)堆主冷卻劑泵模型泵全流道進(jìn)行了三維湍流流場(chǎng)的數(shù)值模擬，較好地揭示了該屏蔽式核主泵內(nèi)部的流場(chǎng)特征。數(shù)值模擬過(guò)程中得到了該泵的流量-揚(yáng)程、流量-效率特性曲線，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的差異，對(duì)其成因進(jìn)行了分析與探討。結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)泵的外特性及流場(chǎng)分布等特征，為今后核主泵的改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有益的參考。主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

(a)0.8Qd

(b)1.0Qd

(c)1.2Qd

1)隨著葉輪進(jìn)口到出口中間流線位置的變化，葉輪的進(jìn)口處?kù)o壓值最小，壓水室外壁的靜壓值是最大的。其原因在于流道的不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致了靜壓值持續(xù)上升。

2)在葉片流線相對(duì)位置0.8以后，流體的壓力呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，主要原因是葉輪葉片與導(dǎo)葉葉片的交界面存在干涉和葉輪葉片兩側(cè)存在壓差的緣故。

3)隨著流量的增大，導(dǎo)葉內(nèi)速度梯度先變小后變大。在非設(shè)計(jì)工況時(shí)導(dǎo)葉內(nèi)速度梯度都較大，在設(shè)計(jì)工況時(shí)速度梯度最小，表明在額定流量工況下，該水力模型流態(tài)穩(wěn)定且均勻。

4)壓水室的環(huán)形流道內(nèi)速度分布沿周向表現(xiàn)出一定的非軸對(duì)稱性，其速度分布與導(dǎo)葉流道內(nèi)的速度分布具有一定的正相關(guān)性。

5)在設(shè)計(jì)工況下，湍動(dòng)能分布最為合理，能量損失也是最小的，進(jìn)而說(shuō)明設(shè)計(jì)工況下其水力性能最優(yōu)。