屏蔽式核主泵内部流动与弱空化特性的相关性研究

发布时间：2020-06-22 04:37

【摘要】：当前,我国对能源的需求日趋增加,在工业生产中开发与利用核能势在必行;同时核电能源相较于其他能源来说其优势也是比较突出的。核主泵作为整个系统中高速转动的动力装备,其运行的可靠性以及工作过程中的稳定性对防止发生核泄漏事故有着重要意义。但是当系统中二、三回路发生故障致使冷却剂较长时间下持续高温导致堆芯的冷却效果不明显时,极易使得核主泵发生空化,具体表现为其外特性出现明显变化并严重影响核主泵的安全工作。本研究采用某一核主泵的模型泵为研究对象,取其缩比系数为0.4,主要采取数值模拟的方法同时通过试验加以验证,对核主泵的内部流动特征进行深入探讨与研究。同时针对弱空化状态下核主泵内部空化流动与外特性的变化进行分析,并在此基础上归纳了空化初生的判别方法与发生空化的影响因素。主要研究内容及其成果如下:1.屏蔽式核主泵多工况下内部流动特征分析。对不同流量工况下模型泵的三维不可压湍流流场进行了定常数值模拟,结果表明:随着叶轮从进口到出口中间流线位置的变化,叶轮的进口处静压值最小,压水室外壁的静压值是最大的。其原因在于流道的不断扩张,导致了静压值持续上升。而在叶片流线相对位置0.8以后,流体的压力呈现出一定的波动,主要原因是叶轮叶片与导叶叶片的交界面存在干涉和叶轮叶片两侧存在压差的缘故。同时,随着流量的增大,导叶内速度梯度先变小后变大,在偏离设计工况的时候导叶内速度梯度均高于在设计工况时。表明在设计流量的工况下,该水力模型流态稳定且均匀。此外,在设计工况下湍动能分布最为合理,能量损失也是最小的,同时也证明设计工况下其水力性能最佳。2.屏蔽式核主泵弱空化演变过程中外特性变化规律与空化流动特性研究。通过分析核主泵四种弱空化工况,探究其内部空化流动特性并分析发生的原因。结果表明:由于叶轮进口轮缘处圆周速度较大,所以低压区最先在该处产生,之后随叶片主流的方向沿轮缘处向叶片中部扩展,直至占据整个叶片的吸力面。同时叶片中间流线上载荷分布呈现由增到减的趋势,随着空化的不断演变发展,叶片载荷力与扬程都逐渐降低。轻微空化时由于气泡的产生对流体的流动具有阻碍效果,而且能够影响过流的通畅;同时涡流黏性在临界空化状态前呈现出先增大后减小的趋势。叶轮吸力面的空泡体积分数分布与其低压区域的分布是一致的。空化发生后,叶片吸力面压力明显降低,同时叶片对流体做功能力大幅削弱,最终表现为模型泵外特性下降。此外研究还发现,当核主泵处于轻微空化阶段时,虽然核主泵能够正常运行,且扬程与效率未见下降,但其内部空化已经发生,所以后续应当针对核主泵展开空化初生的研究。3.对空化初生的概念与空化数表达式以及空化初生的判断方法及其影响因素进行归纳总结。(1)空化初生的判断方法主要有空化数法、系统最低压强法、气泡动力学法、自相关—小波分析法、最大应力判据法等九种方法;(2)空化初生的影响因素主要有气核含量及其分布、流体黏性、压力与压力梯度、流速等。本部分内容期望对流体机械的从业者和对空化问题感兴趣的学者在这一问题的研究上缕清思路,起到抛砖引玉的作用,并期盼相关研究人员能在不久的将来准确把握并理解流体机械的空化机理。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM623
【图文】：

核电站,工作原理图,主泵

屏蔽式核主泵内部流动与弱空化特性的相关性研究为核岛的“中枢”与“心脏”[3]。它的主要作用是当核主泵系统充水过程中去除并多余的气体；在核反应堆开始工作前使得循环系统的工作温度能够提升到一定范围正常工作的条件下使得一回路冷却剂能够冷却反应堆的堆芯，确保核电站的发电安效率使其可靠运行；此外一旦事故出现的时候能够有效地防止核事故扩大[4]。由于泵是在高温、高压的环境下长时间运行，并且使冷却剂循环流动，因而主泵对压力围环境的温度变化都是十分敏感的。在一座核电站中，由二三回路发生的运行事故致的回路系统的温度骤升现象，一回路中的核主泵热管段运行的失效乃至破裂而导失水事故，以及核电站的启停与失电等瞬态工况均会令核主泵内部产生水气两相的，此类情况下将导致泵外特性的降低，一旦空化未能及时得到有效控制，将对人们产生活等方面造成严重的影响[5]。因而在核电事业发展极为迅速的今天，为了能够核主泵在瞬间启停与失电情况等特殊条件下的安全运行，针对核主泵进行内部流动及空化流动的研究，能够对核电站系统的稳定安全运行起到积极作用，同时对促进产业结构调整具有里程碑的意义。

气核,憎水性,稳定性分析,裂隙

图 1.2 气核在憎水性裂隙中的稳定性分析Fox 和其团队提出，由于气核被一层有机薄膜所包围着，所以微小气核是不会被溶解的。这种有机薄膜可以更改液体的有效表面张力，从而推迟蒸发速率并阻碍扩散效果[16]，进而使得微小气核可以保持长时间的悬浮状态，但还需要进一步证明是否真的存在有机薄膜。高秋生通过热力学知识对气泡进行研究并发现倘若假定液面是平衡的，那么液体内部则不会存在气泡。然而在憎水性的缝隙中气泡是能够稳定存在的。并且伴随着测试技术的不断进步与丰富，利用水动力学和超声仪器等方法能够证实气核是存在的[17]。20 世纪初期，Rayleigh 分析研究了空化现象，并利用液体中的任意一个球形空泡构建了 Rayleigh 方程[18] 22B BB B23 12d R dRR p pdt dt （1.3）式中：BR 为空核半径； p 为液体的内部压力；为液体密度；Bp 为泡壁的压力。

【参考文献】