【摘要】：鈉冷卻快中子反應堆(鈉冷快堆)作為第四代核電系統(tǒng)的發(fā)展堆型之一,其采用高比熱、導熱性能佳的液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑。對于輸送液態(tài)導電金屬,圓柱式線性感應電磁泵(Annular linear induction pump,ALIP)具有傳統(tǒng)葉片式泵無法比擬的優(yōu)勢:沒有葉片、軸等旋轉(zhuǎn)部件,顯著簡化了密封裝置,可實現(xiàn)泵內(nèi)鈉液的完全密封,避免了鈉液泄露問題。ALIP電磁泵機械振動小,噪音較低,能在高溫液態(tài)金屬環(huán)境下長時間運行,非常適用于像核電系統(tǒng)這類需要長期安全可靠運行的場合,是鈉冷快堆冷卻回路系統(tǒng)的理想泵型。然而,目前單個ALIP泵難以滿足反應堆流量需求;同時,隨著泵尺寸的增大,泵內(nèi)越容易出現(xiàn)不穩(wěn)定流動現(xiàn)象,嚴重影響其效率。因此,研究泵內(nèi)不穩(wěn)定流動的產(chǎn)生機理并提出增強穩(wěn)定性的方法是設計大型ALIP電磁泵急需解決的問題。本文以俄羅斯D.V.Efremov研究所的ALIP-2實驗泵為對象進行建模研究,從電磁場Maxwell方程組和流場納維-斯托克斯方程(N-S)入手,以速度和洛倫茲力兩個量為紐帶,建立磁流耦合控制方程。采用有限元軟件COMSOL,通過修改底層公式和添加電流連續(xù)性方程等,建立ALIP電磁泵三維瞬態(tài)磁流耦合模型。首先,建立一個整體式外定子模型,將數(shù)值模擬結(jié)果與前人試驗數(shù)據(jù)對比,驗證該三維瞬態(tài)磁流耦合模型的正確性。接著,建立分離式外定子模型,觀察到泵內(nèi)出現(xiàn)流動分離、回流、渦旋等非穩(wěn)態(tài)流動,并發(fā)現(xiàn)磁流體的類開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性現(xiàn)象。最后,以N-S方程為基礎,從受力角度,分析解釋不穩(wěn)定流動現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。主要成果如下:(1)通過將整體式外定子驗證模型的結(jié)果與前人試驗、二維模擬的數(shù)據(jù)進行對比表明,該三維驗證模型與試驗的吻合度優(yōu)于二維模型,并且不同工況下的磁感應強度模擬值均在實驗測量值范圍內(nèi),由此驗證本文三維瞬態(tài)磁流耦合模型的正確性。同時準確地模擬出雙倍頻壓力脈動(DSF)、端部效應和哈特曼流動等ALIP電磁泵顯著特性。流場在徑向分布上,流道內(nèi)側(cè)的速度總是大于外側(cè)速度,流量越小,內(nèi)外側(cè)的速度差距越大。在整體式外定子的結(jié)構(gòu)下,雖然Q=2.0 m~3/min嚴重偏離額定工況,速度在徑向上分布差異明顯,但是沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定流動。(2)建立分離式外定子的ALIP三維瞬態(tài)耦合模型,詳細分析了小流量工況Q=3.4m~3/min(Rm·s=1.89)下的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象。不穩(wěn)定流動區(qū)域集中在空氣側(cè)流道的后半部分,渦旋總是對稱地出現(xiàn),且最先在流道外管壁處產(chǎn)生,同時向流道內(nèi)側(cè)和軸向運動,最后在空氣側(cè)流道的出口出現(xiàn)了類似波浪的流體擺動。通過綜合分析各個工況下泵內(nèi)的流動現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)4.0 m~3/min是出現(xiàn)渦流的臨界流量;各個工況下空氣側(cè)流道內(nèi)的鈉液速度都是在不斷減小,而定子側(cè)流道速度則在增加,并且兩側(cè)的速度差距會隨著流量的減小而增大;流道徑向內(nèi)側(cè)的速度總是大于外側(cè)的速度,同時隨著流量的減小,速度在流道徑向的分布差距也會進一步加大。(3)通過分析N-S方程右邊壓力梯度項、剪切力項和洛倫茲力項以及三者之和的分布特點,從圓周面和子午面角度分別揭示不穩(wěn)定流動產(chǎn)生的機理。因分離式外定子模型結(jié)構(gòu)的影響,導致各個工況流道內(nèi)的磁感應強度和洛倫茲力在周向和徑向上的分布差異較大。在圓周面上,空氣側(cè)流道的洛倫茲力小于定子側(cè)流道的值,為了平衡空氣側(cè)較小的洛倫茲力,液體只能通過改變速度分布以產(chǎn)生速度梯度,從而增加自身的剪切力來補償洛倫茲力。同時流量越小,空氣側(cè)與定子側(cè)的洛倫茲力差距越大,因此小流量工況時,空氣側(cè)速度需降低到很小甚至是反向來滿足力平衡,逆向流由此產(chǎn)生。當速度不均引起的液體切變大到一定程度時便會出現(xiàn)類開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性現(xiàn)象。在子午面上,因徑向流道高度很小和管壁的影響,洛倫茲力在徑向上的不均分布不足以產(chǎn)生很大的速度差距,但仍然使得流道外側(cè)速度小于內(nèi)側(cè)速度。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM623

【參考文獻】

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本文編號：2708826