核主泵叶轮反设计方法研究与CFD计算程序开发

发布时间：2020-11-16 15:15

　　 在我国核电事业不断发展的进程中,核反应堆冷却剂泵(又称核主泵)的自主化设计显得尤为重要。目前针对核主泵叶轮的正向优化设计方法对设计经验和计算资源需求很大,设计效率较低。为此本文首先自主开发了叶轮机械流场计算程序,并在此基础上,结合反设计思想和理论,提出一种核主泵叶轮的反设计方法,开发了反设计计算程序,为我国核主泵叶轮的自主化设计提供参考。文中首先介绍了所采用的叶轮机械二维粘性流场数值模拟方法。基于网格单元体中心的有限体积法,以显式时间推进方法求解二维直角坐标系下的Navier-Stokes方程。控制方程的空间离散采用中心差分格式,并引入考虑特征值影响的人工粘性项来保证计算的稳定并使用五步Runge-Kutta格式进行时间推进求解。对于粘性流动,使用SpalartAllmaras一方程湍流模型来求解湍流粘度。为了使计算快速收敛,使用了当地时间步长和隐式残差光顺加速技术。基于上述理论基础,使用Fortran90程序语言自主开发了二维粘性流动求解程序。为了更加准确地模拟出叶轮机械内部的真实三维流动情况,本文基于两类相对流面理论,在二维粘性流动求解程序的基础上,开发了旋转机械准三维粘性流动求解程序;为了模拟水泵中的不可压缩流动,本文基于预处理方法,开发了不可压缩流动求解器。使用相关算例将本文开发的求解器与商业软件NUMECA进行对比验证,结果本文所开发的求解器可较准确地模拟出叶轮机械内部流动情况。基于自主开发的叶轮机械准三维粘性流动求解器,结合反设计理论,自主编写了反设计计算程序。通过给定叶片表面压差分布的方法对压缩机和核主泵叶轮进行反设计改型。结果表明:调整叶片表面载荷分布可以得到性能较好的叶轮,证明了本文反方法的可行性和有效性。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM623
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的背景和意义
    1.2 CFD技术在叶轮机械计算与设计中的应用
    1.3 国内外研究现状
    1.4 本文主要研究工作
2 CFD数值研究方法基础
    2.1 流体力学控制方程
    2.2 空间差分
        2.2.1 计算网格及节点编号
        2.2.2 对流项的空间离散
        2.2.3 粘性项的空间离散
    2.3 时间推进方法
    2.4 加速收敛技术
    2.5 本章小结
3 二维粘性流动求解器的编写及验证
    3.1 Spalart-Allmaras一方程湍流模型
        3.1.1 输运方程
        3.1.2 计算设置
    3.2 二维粘性流动求解器的编写及验证
        3.2.1 NACA0012翼型绕流计算
        3.2.2 RAE2822翼型绕流计算
        3.2.3 VKI-1叶栅内流场计算
    3.3 无壁面距离的S-A湍流模型计算程序开发
        3.3.1 输运方程
        3.3.2 计算结果
    3.4 本章小结
4 准三维粘性流动求解器的编写及验证
    4.1 准三维流动控制方程的建立
    4.2 准三维粘性流动求解器的编写及验证
        4.2.1 计算方法及计算网格的生成
        4.2.2 半径r和流片厚度h的选取
        4.2.3 准三维流动求解器的验证
    4.3 本章小结
5 不可压流动计算的预处理方法
    5.1 预处理控制方程
        5.1.1 HAKIMI预处理方法
        5.1.2 MERKLE预处理方法
        5.1.3 边界条件
        5.1.4 时间步长的计算
    5.2 不可压流动求解器的验证计算
        5.2.1 RG-15a翼型低速绕流计算
        5.2.2 水流叶栅计算
    5.3 AP1000核主泵叶轮计算
    5.4 计算误差分析
    5.5 本章小结
6 反设计理论及核主泵叶轮反方法改型设计
    6.1 反设计理论及方程
    6.2 叶片返回实验
    6.3 叶轮反方法改型设计
        6.3.1 离心压缩机改型设计
        6.3.2 AP1000核主泵叶轮反方法改型设计
    6.4 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

【参考文献】

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本文编号：2886381