張亞玲, 符玲莉, 李 忠

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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混流式核主泵內(nèi)部流動(dòng)研究現(xiàn)狀與趨勢

張亞玲, 符玲莉, 李 忠

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

指出了混流式核主泵在核島中有著十分重要的地位，闡述了混流式核主泵內(nèi)部流動(dòng)的研究現(xiàn)狀及混流式核主泵內(nèi)部流動(dòng)研究的發(fā)展趨勢，進(jìn)一步分析了混流式核主泵內(nèi)部流動(dòng)的發(fā)展前景以及可達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益。

混流式核主泵；內(nèi)部流動(dòng)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1　引言

核反應(yīng)堆冷卻劑主循環(huán)泵簡稱核主泵，是核電站中唯一的旋轉(zhuǎn)部件，同時(shí)它也是確保電站安全以及可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，因此被喻為核反應(yīng)堆的“心臟”。但是它運(yùn)行的同時(shí)會(huì)消耗大量的能源，而隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源問題越來越突出，備受人們的關(guān)注，因此提高核主泵的水力性能和能量性能對(duì)提高國民經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排有著十分重要的意義。以混流式核主泵的水力模型作為研究的對(duì)象，通過混流式核主泵內(nèi)部流動(dòng)實(shí)驗(yàn)來揭示核主泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而為核主泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，是一種可行且可靠的方法。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)國外有限的資料，利用反設(shè)計(jì)的方法參數(shù)化，從而定量分析不同的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)泵的效率和吸入特性等性能的影響。韓國原子能技術(shù)研究院[1]通過混流泵實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的方法，對(duì)非正常工況的核主泵進(jìn)行了在線監(jiān)測的研究，并且得到了新的監(jiān)測與診斷的方法。Knierim等[2]利用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算與分析，得到了流體能量損失主要因?yàn)榱黧w在液管附近發(fā)生分離。M.Miyabe[3]通過PIV測量和非定常CFD計(jì)算研究了內(nèi)部流動(dòng)與性能不穩(wěn)定的關(guān)系。Kurokawa[4]利用實(shí)驗(yàn)總結(jié)出通過J形槽來阻止葉輪進(jìn)口回流，進(jìn)而抑制泵性能不穩(wěn)定性的方法。Muggli[5]等人通過CFD計(jì)算預(yù)測了高比轉(zhuǎn)速混流泵的性能。 Sekino[6]等通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比得到了SST湍流模型對(duì)泵流動(dòng)特性與性能預(yù)測更準(zhǔn)確。M.ZangenehA.Goto[7,8]等使用流動(dòng)的可視化以及相位鎖定測量的實(shí)驗(yàn)對(duì)葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行了研究，得到了利用三維反設(shè)計(jì)方法能夠抑制葉片吸力面的二次流，并且研發(fā)了一種泵設(shè)計(jì)系統(tǒng)來提高泵性能。Poullikkas等[9]人利用高速數(shù)碼拍攝技術(shù)分析了氣液兩相流動(dòng)的規(guī)律，并提出了一種改進(jìn)模型用來計(jì)算泵的能量。

單玉嬌等[10]用傳統(tǒng)模型變換法結(jié)合CFD數(shù)值分析的方法設(shè)計(jì)出優(yōu)良的AP1000水力模型。王春林等[11]利用數(shù)值模擬揭示了內(nèi)流場的特性，得到內(nèi)流場的靜壓分布具有非對(duì)稱性，且不同的導(dǎo)葉形式對(duì)泵性能與內(nèi)流場有影響。李穎、周文霞[12]通過CFD對(duì)核主泵進(jìn)行了全流道數(shù)值模擬，得到了核主泵內(nèi)部流場的變化情況，并對(duì)壓力和速度的分布進(jìn)行了分析。秦杰等[13]利用FLUENT軟件以及數(shù)值模擬的方法分析了主泵內(nèi)部流動(dòng)的特征。大連理工大學(xué)徐士鳴、張棟俊[14]通過CFD技術(shù)以及FLUENT軟件對(duì)不同形狀的類球形壓水室進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了泵內(nèi)總壓、靜壓和速度矢量圖，并且分析了核主泵內(nèi)流場的特點(diǎn)。謝蓉等[15]利用三維湍流數(shù)值模擬，通過內(nèi)部流動(dòng)分析對(duì)葉輪葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了葉輪的水力效率。葉輪與導(dǎo)葉是影響泵水力性能的重要因素，楊敏官等[16～18]指出導(dǎo)葉與殼體分配對(duì)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)有著較大的影響，同時(shí)葉片厚度及其分布規(guī)律與導(dǎo)葉數(shù)與進(jìn)口邊位置對(duì)混流式核主泵的能量性能與水力性能有影響。黎義斌等得到導(dǎo)葉分布與相對(duì)位置會(huì)誘發(fā)靜壓脈動(dòng)。李靖等得到主泵模型泵導(dǎo)葉采用非均布的形式可以提升模型泵的性能，同時(shí)降低泵的振動(dòng)和噪聲，防止造成動(dòng)態(tài)損壞，提高核主泵的可靠性與安全性。

綜上所述，對(duì)于混流式核主泵的研究多采用三元數(shù)值理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算等方法，同時(shí)利用FLUENT軟件和CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)而分析混流式核主泵的內(nèi)部流動(dòng)特性，最終對(duì)主泵的水力性能和能量性能進(jìn)行優(yōu)化。但是由于實(shí)驗(yàn)成本的限制，對(duì)混流式核主泵內(nèi)部流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究較少，分析核主泵內(nèi)流特性的工作也不多。因此，通過實(shí)驗(yàn)手段對(duì)混流式核主泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行研究是十分必要的。

3　發(fā)展趨勢

雖然國內(nèi)外學(xué)者提出了混流泵葉輪的水利設(shè)計(jì)方法，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)內(nèi)部流場的結(jié)構(gòu)、能量性能等進(jìn)行了研究，但是由于實(shí)驗(yàn)成本的限制，高效的混流式核主泵模型并不多，對(duì)高效的核主泵模型進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)核主泵內(nèi)部流動(dòng)特性的分析工作也不多。因此，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)秀的水力模型的內(nèi)流特性，分析性能優(yōu)越性的原因，是一種既可靠又可行的研究方法，也是高效的水力模型設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)。由于國外對(duì)于先進(jìn)的核主泵的研究技術(shù)是嚴(yán)格保密的，因此，自主研發(fā)高效的安全的混流式核主泵，有利于趕超其他國家在核主泵的相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，同時(shí)有利于達(dá)到國家節(jié)能減排的目標(biāo)。

4　可達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益

核能作為一種清潔的能源，有助于改進(jìn)以火電為主的結(jié)構(gòu)失衡問題，同時(shí)由于核電自身高效節(jié)能的特點(diǎn)，已經(jīng)成為各國發(fā)展的必然選擇。在2012年通過的《中國核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》中明確提出核電發(fā)展路線和核主泵國產(chǎn)化的要求。而核主泵是核電站中控制水循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備，也是主要的耗能設(shè)備，如果核電站中的核主泵運(yùn)行故障，將直接導(dǎo)致核反應(yīng)堆停堆，甚至造成嚴(yán)重的核安全事故，因此要求核主泵長期安全運(yùn)行。如果一臺(tái)核主泵的單機(jī)功率為140萬kW，額定功率為7.7 MW，若功率提高1%，一年之內(nèi)將會(huì)節(jié)電67萬kW·h。因此通過對(duì)核主泵內(nèi)部流動(dòng)的研究，來進(jìn)一步發(fā)展核能這種清潔的能源，從而提高核主泵的能量性能，對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)以及節(jié)能減排都有著極為重要的意義。

5　結(jié)語

混流式核主泵在核電站中有著十分重要的地位，因此提高其水力性能、能量性能是十分有意義的，從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以知道，利用數(shù)值模擬和分析的方法來研究內(nèi)部流動(dòng)情況是一種十分有效的手段，但是對(duì)內(nèi)部流場觀測和分析內(nèi)流特性的研究很少，因此，利用高效的水力模型，通過核主泵內(nèi)部流動(dòng)實(shí)驗(yàn)來更好地對(duì)核主泵的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化是十分有意義的。

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2016-05-23

張亞玲(1994—)，女，江蘇大學(xué)學(xué)生。

TL353.12

A

1674-9944(2016)14-0268-02