【摘要】：鈉冷卻快中子反應(yīng)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(dǎo)熱性能佳的液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑。對(duì)于輸送液態(tài)導(dǎo)電金屬,圓柱式線性感應(yīng)電磁泵(Annular linear induction pump,ALIP)具有傳統(tǒng)葉片式泵無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì):沒(méi)有葉片、軸等旋轉(zhuǎn)部件,顯著簡(jiǎn)化了密封裝置,可實(shí)現(xiàn)泵內(nèi)鈉液的完全密封,避免了鈉液泄露問(wèn)題。ALIP電磁泵機(jī)械振動(dòng)小,噪音較低,能在高溫液態(tài)金屬環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,非常適用于像核電系統(tǒng)這類需要長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的場(chǎng)合,是鈉冷快堆冷卻回路系統(tǒng)的理想泵型。然而,目前單個(gè)ALIP泵難以滿足反應(yīng)堆流量需求;同時(shí),隨著泵尺寸的增大,泵內(nèi)越容易出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象,嚴(yán)重影響其效率。因此,研究泵內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理并提出增強(qiáng)穩(wěn)定性的方法是設(shè)計(jì)大型ALIP電磁泵急需解決的問(wèn)題。本文以俄羅斯D.V.Efremov研究所的ALIP-2實(shí)驗(yàn)泵為對(duì)象進(jìn)行建模研究,從電磁場(chǎng)Maxwell方程組和流場(chǎng)納維-斯托克斯方程(N-S)入手,以速度和洛倫茲力兩個(gè)量為紐帶,建立磁流耦合控制方程。采用有限元軟件COMSOL,通過(guò)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(gè)整體式外定子模型,將數(shù)值模擬結(jié)果與前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)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(dòng)分離、回流、渦旋等非穩(wěn)態(tài)流動(dòng),并發(fā)現(xiàn)磁流體的類開(kāi)爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性現(xiàn)象。最后,以N-S方程為基礎(chǔ),從受力角度,分析解釋不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。主要成果如下:(1)通過(guò)將整體式外定子驗(yàn)證模型的結(jié)果與前人試驗(yàn)、二維模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比表明,該三維驗(yàn)證模型與試驗(yàn)的吻合度優(yōu)于二維模型,并且不同工況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度模擬值均在實(shí)驗(yàn)測(cè)量值范圍內(nèi),由此驗(yàn)證本文三維瞬態(tài)磁流耦合模型的正確性。同時(shí)準(zhǔn)確地模擬出雙倍頻壓力脈動(dòng)(DSF)、端部效應(yīng)和哈特曼流動(dòng)等ALIP電磁泵顯著特性。流場(chǎng)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(yán)重偏離額定工況,速度在徑向上分布差異明顯,但是沒(méi)有出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)。(2)建立分離式外定子的ALIP三維瞬態(tài)耦合模型,詳細(xì)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(dòng)現(xiàn)象。不穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)域集中在空氣側(cè)流道的后半部分,渦旋總是對(duì)稱地出現(xiàn),且最先在流道外管壁處產(chǎn)生,同時(shí)向流道內(nèi)側(cè)和軸向運(yùn)動(dòng),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(dòng)。通過(guò)綜合分析各個(gè)工況下泵內(nèi)的流動(dòng)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(gè)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(huì)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(shí)隨著流量的減小,速度在流道徑向的分布差距也會(huì)進(jìn)一步加大。(3)通過(guò)分析N-S方程右邊壓力梯度項(xiàng)、剪切力項(xiàng)和洛倫茲力項(xiàng)以及三者之和的分布特點(diǎn),從圓周面和子午面角度分別揭示不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理。因分離式外定子模型結(jié)構(gòu)的影響,導(dǎo)致各個(gè)工況流道內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(guò)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(lái)補(bǔ)償洛倫茲力。同時(shí)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(shí),空氣側(cè)速度需降低到很小甚至是反向來(lái)滿足力平衡,逆向流由此產(chǎn)生。當(dāng)速度不均引起的液體切變大到一定程度時(shí)便會(huì)出現(xiàn)類開(kāi)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(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM623

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2708826