【摘要】：當(dāng)前,我國對能源的需求日趨增加,在工業(yè)生產(chǎn)中開發(fā)與利用核能勢在必行;同時核電能源相較于其他能源來說其優(yōu)勢也是比較突出的。核主泵作為整個系統(tǒng)中高速轉(zhuǎn)動的動力裝備,其運(yùn)行的可靠性以及工作過程中的穩(wěn)定性對防止發(fā)生核泄漏事故有著重要意義。但是當(dāng)系統(tǒng)中二、三回路發(fā)生故障致使冷卻劑較長時間下持續(xù)高溫導(dǎo)致堆芯的冷卻效果不明顯時,極易使得核主泵發(fā)生空化,具體表現(xiàn)為其外特性出現(xiàn)明顯變化并嚴(yán)重影響核主泵的安全工作。本研究采用某一核主泵的模型泵為研究對象,取其縮比系數(shù)為0.4,主要采取數(shù)值模擬的方法同時通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證,對核主泵的內(nèi)部流動特征進(jìn)行深入探討與研究。同時針對弱空化狀態(tài)下核主泵內(nèi)部空化流動與外特性的變化進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上歸納了空化初生的判別方法與發(fā)生空化的影響因素。主要研究內(nèi)容及其成果如下:1.屏蔽式核主泵多工況下內(nèi)部流動特征分析。對不同流量工況下模型泵的三維不可壓湍流流場進(jìn)行了定常數(shù)值模擬,結(jié)果表明:隨著葉輪從進(jìn)口到出口中間流線位置的變化,葉輪的進(jìn)口處靜壓值最小,壓水室外壁的靜壓值是最大的。其原因在于流道的不斷擴(kuò)張,導(dǎo)致了靜壓值持續(xù)上升。而在葉片流線相對位置0.8以后,流體的壓力呈現(xiàn)出一定的波動,主要原因是葉輪葉片與導(dǎo)葉葉片的交界面存在干涉和葉輪葉片兩側(cè)存在壓差的緣故。同時,隨著流量的增大,導(dǎo)葉內(nèi)速度梯度先變小后變大,在偏離設(shè)計工況的時候?qū)~內(nèi)速度梯度均高于在設(shè)計工況時。表明在設(shè)計流量的工況下,該水力模型流態(tài)穩(wěn)定且均勻。此外,在設(shè)計工況下湍動能分布最為合理,能量損失也是最小的,同時也證明設(shè)計工況下其水力性能最佳。2.屏蔽式核主泵弱空化演變過程中外特性變化規(guī)律與空化流動特性研究。通過分析核主泵四種弱空化工況,探究其內(nèi)部空化流動特性并分析發(fā)生的原因。結(jié)果表明:由于葉輪進(jìn)口輪緣處圓周速度較大,所以低壓區(qū)最先在該處產(chǎn)生,之后隨葉片主流的方向沿輪緣處向葉片中部擴(kuò)展,直至占據(jù)整個葉片的吸力面。同時葉片中間流線上載荷分布呈現(xiàn)由增到減的趨勢,隨著空化的不斷演變發(fā)展,葉片載荷力與揚(yáng)程都逐漸降低。輕微空化時由于氣泡的產(chǎn)生對流體的流動具有阻礙效果,而且能夠影響過流的通暢;同時渦流黏性在臨界空化狀態(tài)前呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。葉輪吸力面的空泡體積分?jǐn)?shù)分布與其低壓區(qū)域的分布是一致的�？栈l(fā)生后,葉片吸力面壓力明顯降低,同時葉片對流體做功能力大幅削弱,最終表現(xiàn)為模型泵外特性下降。此外研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)核主泵處于輕微空化階段時,雖然核主泵能夠正常運(yùn)行,且揚(yáng)程與效率未見下降,但其內(nèi)部空化已經(jīng)發(fā)生,所以后續(xù)應(yīng)當(dāng)針對核主泵展開空化初生的研究。3.對空化初生的概念與空化數(shù)表達(dá)式以及空化初生的判斷方法及其影響因素進(jìn)行歸納總結(jié)。(1)空化初生的判斷方法主要有空化數(shù)法、系統(tǒng)最低壓強(qiáng)法、氣泡動力學(xué)法、自相關(guān)—小波分析法、最大應(yīng)力判據(jù)法等九種方法;(2)空化初生的影響因素主要有氣核含量及其分布、流體黏性、壓力與壓力梯度、流速等。本部分內(nèi)容期望對流體機(jī)械的從業(yè)者和對空化問題感興趣的學(xué)者在這一問題的研究上縷清思路,起到拋磚引玉的作用,并期盼相關(guān)研究人員能在不久的將來準(zhǔn)確把握并理解流體機(jī)械的空化機(jī)理。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM623
【圖文】：

屏蔽式核主泵內(nèi)部流動與弱空化特性的相關(guān)性研究為核島的“中樞”與“心臟”[3]。它的主要作用是當(dāng)核主泵系統(tǒng)充水過程中去除并多余的氣體；在核反應(yīng)堆開始工作前使得循環(huán)系統(tǒng)的工作溫度能夠提升到一定范圍正常工作的條件下使得一回路冷卻劑能夠冷卻反應(yīng)堆的堆芯，確保核電站的發(fā)電安效率使其可靠運(yùn)行；此外一旦事故出現(xiàn)的時候能夠有效地防止核事故擴(kuò)大[4]。由于泵是在高溫、高壓的環(huán)境下長時間運(yùn)行，并且使冷卻劑循環(huán)流動，因而主泵對壓力圍環(huán)境的溫度變化都是十分敏感的。在一座核電站中，由二三回路發(fā)生的運(yùn)行事故致的回路系統(tǒng)的溫度驟升現(xiàn)象，一回路中的核主泵熱管段運(yùn)行的失效乃至破裂而導(dǎo)失水事故，以及核電站的啟停與失電等瞬態(tài)工況均會令核主泵內(nèi)部產(chǎn)生水氣兩相的，此類情況下將導(dǎo)致泵外特性的降低，一旦空化未能及時得到有效控制，將對人們產(chǎn)生活等方面造成嚴(yán)重的影響[5]。因而在核電事業(yè)發(fā)展極為迅速的今天，為了能夠核主泵在瞬間啟停與失電情況等特殊條件下的安全運(yùn)行，針對核主泵進(jìn)行內(nèi)部流動及空化流動的研究，能夠?qū)穗娬鞠到y(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行起到積極作用，同時對促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有里程碑的意義。

圖 1.2 氣核在憎水性裂隙中的穩(wěn)定性分析Fox 和其團(tuán)隊提出，由于氣核被一層有機(jī)薄膜所包圍著，所以微小氣核是不會被溶解的。這種有機(jī)薄膜可以更改液體的有效表面張力，從而推遲蒸發(fā)速率并阻礙擴(kuò)散效果[16]，進(jìn)而使得微小氣核可以保持長時間的懸浮狀態(tài)，但還需要進(jìn)一步證明是否真的存在有機(jī)薄膜。高秋生通過熱力學(xué)知識對氣泡進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)倘若假定液面是平衡的，那么液體內(nèi)部則不會存在氣泡。然而在憎水性的縫隙中氣泡是能夠穩(wěn)定存在的。并且伴隨著測試技術(shù)的不斷進(jìn)步與豐富，利用水動力學(xué)和超聲儀器等方法能夠證實(shí)氣核是存在的[17]。20 世紀(jì)初期，Rayleigh 分析研究了空化現(xiàn)象，并利用液體中的任意一個球形空泡構(gòu)建了 Rayleigh 方程[18] 22B BB B23 12d R dRR p pdt dt （1.3）式中：BR 為空核半徑； p 為液體的內(nèi)部壓力； 為液體密度；Bp 為泡壁的壓力。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2725201