ALIP核主泵磁流体瞬态特性与稳定性研究及优化

发布时间：2020-05-07 20:25

【摘要】：第四代核能系统的研发需求促进了各类概念堆型,如气冷快堆、熔盐反应堆、钠冷快堆等的研究,其中钠冷快堆具有导热性能好、冷却性能优异、安全性高等优势,是各国大力发展的重要堆型。而圆柱直线感应电磁泵(Annular linear induction pump,ALIP)是以电磁感应生成的洛伦兹力作为导电液体的推动力,因此特别适合作为液态钠冷却快中子反应堆冷却回路的冷却泵,受到越来越多的关注。相较于传统的机械泵,ALIP泵没有旋转机构,全封闭设计保证了其优异的防泄漏性能;ALIP泵的结构相对简单,无需安装轴承、润滑等辅助零件,维护成本降低;机械振动小,噪声低。然而,ALIP泵的总体效率较低,在非额定工况下泵的流道内部会出现流动不稳定现象,极大地影响了ALIP泵的效率。因此,亟需对ALIP泵体的结构形式进行优化设计,以期能产生合理的感应电磁场,使该泵能在不同流量工况下保持一定的流动稳定性和效果。本文参照俄罗斯D.V.Efremov研究所的额定流量7m3/min的ALIP-2进行研究,主要研究工作及成果如下:(1)基于有限元方法,建立麦克斯韦方程与纳维-斯托克斯方程的磁-流耦合模型,进行了二维与三维磁流耦合的模拟和理论探究。探究在圆柱坐标系下的二维模型,仅计算周向的磁矢势及两个方向的速度场,给出了二维模型圆柱坐标下的安培定律。在三维模型中,通过添加标量电势,采用棱边元法耦合计算瞬态的电磁场与流场。通过迦辽金法进行变量降阶,建立了三维安培定律、电流的连续性方程的弱形式,从而为之后的复杂磁流耦合模型奠定理论基础。(2)使用COMSOL对二维轴对称的单侧线圈模型泵(SS泵)和内外侧线圈布置比例分别为1(DS1泵)和0.5(DS2泵)的双侧模型泵进行模拟计算。计算结果表明,在额定流量工况下,DS2泵的压差相较于SS泵提高了30%。与单侧线圈模型泵(SS泵)相比,DS2泵的效率约为SS泵的效率的两倍,DS1泵的效率较SS泵提高了26%,可以表明双侧线圈分布对效率的提升有显著效果,而内外线圈比例为0.5的双侧DS2泵效率提高最明显。大流量工况下,DS2泵内沿第一级中间(S4)至最后一级中间(S6)的区域速度分布在三种泵型中最均匀,而出口处的偏差值较大,表明力的端部效应影响了管内流动。小流量工况下,DS2泵速度比SS泵分布更平稳。本研究表明双侧线圈布置的DS2泵结构形式可有效提高流动的均匀性。进一步分析双侧线圈DS2、DS1泵内洛伦兹力分布发现,在大流量工况下,双侧线圈DS泵的洛伦兹力在泵的中下段区域均出现了驼峰,其中DS2泵的驼峰较DS1泵更明显。计算结果表明,导电流体磁感应强度沿径向的斜率改变致使洛伦兹力产生波峰,导电流体磁感应强度沿径向的斜率变化程度决定了洛伦兹力的驼峰凸起程度。(3)不考虑空气及不锈钢管的影响,建立了一个简单的三维磁流耦合模型,并在电场强度中添加了一个拉格朗日乘数作为电势来改造mf模块,添加了电流守恒方程的弱形式及库仑规范方程。参考二维模型的边界条件,给定边界条件磁矢势Aθ,对三维模型进行磁流耦合瞬态计算。计算结果表明,三维模型的外特性在数值上与二维模型相一致,表明本方法进行ALIP泵瞬态计算的可行性。对径向时均速度,径向时均洛伦兹力及径向时均磁感应强度进行分析。结果表明额定工况下,流体流经中下段区域径向时均速度比较平稳。速度的分布趋势与洛伦兹力的分布趋势相反,当管内速度最大时,洛伦兹力最小。在入口处的径向时均磁感应强度均大于二维模型,流经中下段区域时,磁感应强度的分布趋势与二维模型一致。总而言之,由于三维数值模拟是在泵的额定流量工况下的,ALIP泵的数值模拟结果未显示任何流动不稳定性。将在接下来的工作中开展在小流量工况下流动不稳定性的研究。
【图文】：

主视图,电磁泵,主视图

图 1-3 电磁泵的主视图 Fig.1-3 Birds-eye view of ALIP pump ALIP 电磁泵的工作原理可与直线电部定子从一轴截面剖开拉长即为线性电而电机定子类比于直线电机初级定子。电磁泵内运动的液态金属，因此可将电法进行初步设计。如图 1-6 所示，，将三场可在通道内部金属液体中产生相同频与通道流体内产生感应电流。由于感应两者作用产生的洛伦兹力驱动液体沿轴

牛顿法,收敛条件,展开式,近似解

江苏大学硕士学位论文达简单，我们将 ( a)写成函数。则式（2-15）可( ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( )( ) ( ) ( ) n n n n nT Ta K K Q p( ) ( ) ( )n nT TK K a( ) ( ) ( )n nP P a 展开式（2-15）仅取线性项，所以( n 1)a 仍是近似解满足收敛条件。的求解过程如图 2-1 所示[40]。图 a 为收敛情况，图
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL353.12

【参考文献】