離心式上充泵小流量工況轉(zhuǎn)換瞬態(tài)流動(dòng)特性

付 強(qiáng)，張 帆，袁壽其，朱榮生，陶 藝

(江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，世界各國對(duì)能源的需求不斷增多，而當(dāng)今世界傳統(tǒng)化石能源已即將消耗殆盡。在這種情況下，加強(qiáng)對(duì)新型能源的開發(fā)與利用顯得格外重要。其中，核能是一種典型的新型能源，具有高效、清潔等優(yōu)點(diǎn)，因此核能的發(fā)展得到了諸多國家的高度重視。

離心式上充泵是1 000 MW核電站一回路化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的重要組成部分，是最關(guān)鍵的核電動(dòng)力設(shè)備之一，也是難度僅次于主泵的核安全Ⅱ級(jí)設(shè)備，結(jié)構(gòu)為臥式、雙殼體、筒狀多級(jí)離心泵[1]。核電系統(tǒng)要求上充泵水力性能需滿足小流量工況、上充工況、高壓安注工況等多個(gè)工況點(diǎn)[2]，因此，各不同工況間轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)特性是上充泵研究的重要內(nèi)容。

國內(nèi)外對(duì)上充泵已有大量研究工作。Pearson等[3]對(duì)上充泵結(jié)構(gòu)作了簡單的介紹。文獻(xiàn)[4]對(duì)Ikata核電站3號(hào)機(jī)組上充泵主軸斷裂事故原因進(jìn)行了簡要分析。文獻(xiàn)[5-8]分別對(duì)上充泵的性能參數(shù)、技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、不預(yù)潤滑啟動(dòng)軸承、材料選用、安全啟動(dòng)、抗震計(jì)算等方面進(jìn)行了總結(jié)和分析。另外，文獻(xiàn)[9-11]對(duì)上充泵水力設(shè)計(jì)方法和數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了研究。

在普通離心泵啟動(dòng)、停機(jī)等瞬態(tài)流動(dòng)方面的研究文獻(xiàn)較多，如文獻(xiàn)[12]采用數(shù)值模擬分析與試驗(yàn)測(cè)量的方式模擬了核主泵緊急啟動(dòng)的整個(gè)過程。文獻(xiàn)[13]對(duì)核主泵發(fā)生斷電事故后在3種不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的瞬態(tài)特性進(jìn)行了定量研究。文獻(xiàn)[14-17]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將該方法進(jìn)行改進(jìn)，推廣應(yīng)用到離心泵啟動(dòng)過程的二維和三維循環(huán)管路系統(tǒng)的數(shù)值模擬中，有效解決了離心泵啟動(dòng)過程瞬態(tài)流動(dòng)的數(shù)值模擬問題。

從上述文獻(xiàn)可看出，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)離心泵，尤其是對(duì)上充泵不同工況間轉(zhuǎn)換瞬態(tài)特性的研究均未涉及。本文基于文獻(xiàn)[18]，深入分析離心式上充泵從上充工況(Q=34 m3/h)向小流量工況(Q=13.6 m3/h)轉(zhuǎn)換過程的瞬態(tài)特性，對(duì)核電站的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 計(jì)算模型

1.1 三維模型

1 000 MW 核電站用離心式上充泵葉輪為12級(jí)，兩端對(duì)稱分布，以平衡軸向力。采用Pro/E軟件分別對(duì)上充泵的環(huán)形吸入室、葉輪、導(dǎo)葉、過渡流道進(jìn)行三維建模。為使流場(chǎng)充分發(fā)展，適當(dāng)延長環(huán)形吸入室和雙渦殼出口，圖1為上充泵流場(chǎng)計(jì)算水體的三維模型。

圖1 上充泵三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下的揚(yáng)程對(duì)比

應(yīng)用ANSYS ICEM軟件中對(duì)復(fù)雜邊界適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)上充泵中第1級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪、徑向?qū)~、出口流道、吸入室和中間過渡流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)模型中局部及重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行局部加密處理。為了驗(yàn)證不同數(shù)量網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，選用了5種不同數(shù)量的網(wǎng)格，計(jì)算了在高效工況點(diǎn)下的揚(yáng)程，不同網(wǎng)格數(shù)量(N)的揚(yáng)程(H)對(duì)比如圖2所示。

從圖2可看出，揚(yáng)程隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而增大，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過853萬后，揚(yáng)程增加的幅度非常微小。由于計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量太大，考慮到計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，選用853萬網(wǎng)格為本文的計(jì)算模型網(wǎng)格。另外，對(duì)模型網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)分布、光滑性及歪斜的角度等進(jìn)行檢查，以保證網(wǎng)格質(zhì)量和穩(wěn)定性。圖3為上充泵網(wǎng)格示意圖。

圖3 上充泵網(wǎng)格示意圖

2 計(jì)算方法與邊界條件

2.1 數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)

控制方程采用基于質(zhì)量守恒定律的不可壓縮流體的連續(xù)性方程、RANS方程及RNGk-ε湍流模型方程。RNGk-ε對(duì)求解有較大曲率半徑和易脫流的上充泵內(nèi)部流動(dòng)有較好的適應(yīng)性。控制方程采用控制體積法進(jìn)行離散，控制方程中的擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，采用SIMPLEC算法進(jìn)行方程求解。

2.2 邊界條件

在上充工況向小流量轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過渡過程中，上充泵計(jì)算模型進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件；出口條件給定出口質(zhì)量流量，通過出口邊界條件控制模型的流量轉(zhuǎn)換；近壁面處，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固壁面上的各節(jié)點(diǎn)采用絕熱無滑移壁面邊界條件，壁面粗糙度設(shè)為10 μm。

葉輪流道內(nèi)的水體為旋轉(zhuǎn)體，導(dǎo)葉、蝸殼內(nèi)流體為非旋轉(zhuǎn)體，以定常計(jì)算的收斂解作為非定常計(jì)算初始條件。將非定常計(jì)算的交界面設(shè)置為Transient Rotor-Stator模式，該交界面對(duì)于兩部分水體間的動(dòng)-靜干涉有著重要作用。總計(jì)算時(shí)間為1.1 s，時(shí)間步長為0.002 5 s。

為保證結(jié)果的可靠性，先運(yùn)行0.1 s后再監(jiān)測(cè)葉輪內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，采用CFX的CEL設(shè)定進(jìn)口的流量變化，描述函數(shù)為：

(1)

式中：m(t)為出口質(zhì)量流量，kg/s；m為變工況開始前質(zhì)量流量，kg/s；m0為質(zhì)量流量系數(shù)；t為時(shí)間，s；t0為初始時(shí)間，0.1 s。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取

為監(jiān)測(cè)計(jì)算模型在變流量過程中內(nèi)部流動(dòng)的變化規(guī)律，分別在第1、2、6、12級(jí)葉輪流道內(nèi)依次選取6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在第1級(jí)導(dǎo)葉處正反導(dǎo)葉各選取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，雙流道渦室選取8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。第1級(jí)葉輪、第1級(jí)導(dǎo)葉及雙流道渦室的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖4所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在流動(dòng)區(qū)域的中間位置，其他葉輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)依此類推，故不再給出。上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)上充泵變工況時(shí)內(nèi)部流態(tài)的監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證離心式上充泵數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，在保證研發(fā)水力模型準(zhǔn)確性的前提下，為加快研發(fā)進(jìn)度和有效降低研發(fā)費(fèi)用，制造了與實(shí)型上充泵水力結(jié)構(gòu)相同的4級(jí)上充泵模型樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行定常流動(dòng)下的試驗(yàn)研究。

a——第1級(jí)葉輪；b——第1級(jí)導(dǎo)葉正導(dǎo)葉；c——第1級(jí)導(dǎo)葉反導(dǎo)葉；d——雙流道渦室

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，利用相似換算定律，轉(zhuǎn)化為實(shí)際轉(zhuǎn)速4 500 r/min下的試驗(yàn)結(jié)果，與數(shù)值模擬結(jié)果以及規(guī)定值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 水力性能對(duì)比

從圖5可看出，設(shè)計(jì)的4級(jí)樣機(jī)水力性能均滿足要求，Q-H曲線與規(guī)定值相比，最大相對(duì)偏差發(fā)生在最大流量工況，低于規(guī)定值的4.7%；Q-P曲線出現(xiàn)了無過載特點(diǎn)，其中最大軸功率點(diǎn)發(fā)生在141 m3/h，與模擬結(jié)果和規(guī)定值基本一致；實(shí)測(cè)結(jié)果的Q-η曲線最高效率為65.8%，較數(shù)值模擬的效率低，但較規(guī)定值高。

由于數(shù)值模擬僅考慮了水力效率，未考慮口環(huán)等處的泄漏容積損失，以及圓盤摩擦等機(jī)械損失，因此數(shù)值模擬的揚(yáng)程和效率略高于試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果，另外考慮級(jí)間導(dǎo)葉對(duì)水力性能的影響亦可減小模擬與試驗(yàn)的偏差。但在上充泵整個(gè)流量范圍內(nèi)，4級(jí)樣機(jī)水力性能均滿足規(guī)定要求，試驗(yàn)曲線與模擬曲線的變化趨勢(shì)一致，說明數(shù)值計(jì)算方法是可行的，在該數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)上充泵工況轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

利用商業(yè)軟件CFX對(duì)離心式上充泵由上充工況(Q=34 m3/h)到小流量工況(Q=13.6 m3/h)下的瞬態(tài)過渡過程進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)上充泵葉輪、導(dǎo)葉及雙流道渦室在流量過渡過程中，瞬態(tài)壓力和速度的變化進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 變工況過渡過程葉輪內(nèi)部流動(dòng)分析

1) 瞬態(tài)壓力

圖6為從上充工況到小流量工況過渡過程中第1、2、6、12級(jí)葉輪流道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化。其中，橫坐標(biāo)t/T為無量綱時(shí)間，Cp為無量綱壓力，其定義如下：

Y1-1表示第1級(jí)葉輪的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，其余依此類推

(2)

式中：Δp為靜壓與參考?jí)毫χ睿琍a；ρ為水的密度，kg/m3；u2為葉輪出口圓周速度，m/s。

從圖6可看出，在向小流量工況過渡過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)平均值隨時(shí)間增加明顯呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，第12級(jí)葉輪上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力圍繞在某一恒定壓力附近上下波動(dòng)，且幅值在整個(gè)過渡過程中基本相同，其主要原因是計(jì)算模型在向小流量工況轉(zhuǎn)換過程中，邊界層的流體因動(dòng)量的減小，無法繼續(xù)貼著物面流動(dòng)而從物面脫離，流體速度為零的死水區(qū)就會(huì)形成局部回流區(qū)，出現(xiàn)漩渦，且工況點(diǎn)離最高效率點(diǎn)越遠(yuǎn)，流量越小，漩渦區(qū)域越大，此時(shí)葉輪內(nèi)回流損失加大。位于葉輪出口附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5、6受葉輪出口與正導(dǎo)葉進(jìn)口干涉以及沖角不匹配的影響較大，因此葉輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5、6較葉輪中間流道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3壓力波動(dòng)幅值要大；變工況時(shí)流量越小，工況點(diǎn)越遠(yuǎn)離最高效率點(diǎn)，葉輪內(nèi)部回流、漩渦區(qū)域越多，水力損失也就越大，直接造成流道內(nèi)靜壓上升趨勢(shì)越明顯，這一點(diǎn)與泵的外特性曲線一致。同一級(jí)葉輪中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、6的壓力波動(dòng)較監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的要大，其主要原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、6分別位于葉輪出口附近，靠近葉片背面、工作面位置，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體在葉片的工作面與背面附近較監(jiān)測(cè)點(diǎn)5更易受到葉輪與正導(dǎo)葉間干涉的影響。

2) 瞬態(tài)速度

圖7為從上充工況到小流量工況過渡過程中第1、2、6、12級(jí)葉輪流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度變化。對(duì)相對(duì)速度無量綱化，其值V定義如下：

V=ω/v*

(3)

式中：ω為流體在葉輪中的相對(duì)速度，m/s；v*為各級(jí)葉輪流道內(nèi)相對(duì)速度的最大速度，m/s。

從圖7可看出：葉輪上監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5、6瞬態(tài)速度變化幅度較大，而靠近葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)1以及中間流道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3處速度波動(dòng)幅值較小，即越靠近葉輪出口，瞬態(tài)速度變化幅值越大，且在第1級(jí)葉輪處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度隨時(shí)間變化不大，但靠近第6級(jí)葉輪由于與中間過渡流道連接，流動(dòng)由旋轉(zhuǎn)方向突變?yōu)橹本€方向，因此第6級(jí)葉輪上監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度波動(dòng)幅值越來越大；隨著流量的減小，葉輪出口附近流動(dòng)情況越來越差，漩渦越來越大，且受葉輪出口角與雙蝸殼進(jìn)口角不匹配的影響，回流損失加大，流體在漩渦兩側(cè)時(shí)速度分別得到一定程度的加強(qiáng)或削弱，導(dǎo)致第12級(jí)葉輪速度波動(dòng)越來越大。

4.2 第1級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)分析

1) 瞬態(tài)壓力

圖8為由上充工況到小流量工況過渡過程中第1級(jí)葉輪處正導(dǎo)葉與反導(dǎo)葉流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)壓力變化。

圖7 葉輪瞬態(tài)速度的變化

圖8 第1級(jí)葉輪導(dǎo)葉瞬態(tài)壓力的變化

從圖8可看出，在工況轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過程中，正、反導(dǎo)葉內(nèi)壓力隨時(shí)間均有上升趨勢(shì)，其原因是在過渡過程中，流量逐漸遠(yuǎn)離最高效率工況點(diǎn)，流體在流道內(nèi)的流態(tài)變差，產(chǎn)生漩渦和回流，且該區(qū)域慢慢增大，此時(shí)造成的水力損失也逐漸增大。隨著t/T的增加，流量越來越小，壓力增大的幅度越來越大；同一時(shí)刻，在正導(dǎo)葉中，越靠近進(jìn)口壓力波動(dòng)越大，而在反導(dǎo)葉中，靠近出口處壓力波動(dòng)較大，主要原因是正導(dǎo)葉進(jìn)口靠近上一級(jí)葉輪出口，反導(dǎo)葉出口靠近下一級(jí)葉輪進(jìn)口，葉輪與導(dǎo)葉間動(dòng)靜干涉造成交界面附近的壓力波動(dòng)強(qiáng)度高于其他位置。

2) 瞬態(tài)速度

圖9為由上充工況到小流量工況過渡過程中第1級(jí)葉輪處正導(dǎo)葉與反導(dǎo)葉流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度變化。

從圖9可看出：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度在工況轉(zhuǎn)換過程中時(shí)大時(shí)小，主要是由于在小流量下，導(dǎo)葉內(nèi)部有漩渦產(chǎn)生，漩渦轉(zhuǎn)向與流體流動(dòng)方向一致時(shí)，流體速度將得到加強(qiáng)，相反在另一側(cè)會(huì)得到減弱；無論在正導(dǎo)葉還是在反導(dǎo)葉，流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度平均值隨t/T增大有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，流道內(nèi)流量不斷變小但過流斷面恒定。在正導(dǎo)葉進(jìn)口處速度波動(dòng)最大，速度波動(dòng)幅度沿半徑方向不斷減弱；在反導(dǎo)葉流道內(nèi)，由于在流體流經(jīng)導(dǎo)葉過程中，經(jīng)過導(dǎo)葉的整流作用，能夠?qū)⒘黧w速度能轉(zhuǎn)換為壓能，使各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度波動(dòng)強(qiáng)度在過渡工況中隨時(shí)間的增加而慢慢減弱。

4.3 雙流道渦室內(nèi)部流動(dòng)分析

1) 瞬態(tài)壓力

圖10為上充工況到小流量工況過渡過程中雙流道渦室內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)壓力變化。

從圖10可看出，渦室中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2和5處壓力波動(dòng)強(qiáng)度較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4、6、7和8處的速度變化不大，主要原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2和5處于內(nèi)蝸室，且靠近雙流道渦室的兩個(gè)隔舌，受葉輪與雙流道渦室的動(dòng)靜干涉影響較大，比較靠近第12級(jí)葉輪出口，受葉輪出口處壓力脈動(dòng)影響較大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和8壓力波動(dòng)較小，其波動(dòng)幅值與恒定工況下的幅值相差不大，瞬態(tài)壓力圍繞在某一定值附近上下波動(dòng)，說明內(nèi)外渦室靠近出口處壓力波動(dòng)主要受葉輪與導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉影響，而受變工況影響較小。

圖9 第1級(jí)葉輪導(dǎo)葉瞬態(tài)速度的變化

圖10 雙流道渦室瞬態(tài)壓力的變化

2) 瞬態(tài)速度

圖11為上充工況到小流量工況過渡過程中雙流道渦室內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)速度變化。

圖11 雙流道渦室瞬態(tài)速度的變化

從圖11可看出：在向小流量過渡過程中，渦室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、5的瞬態(tài)速度波動(dòng)較大，且隨著t/T的增加，波動(dòng)幅值越來越小；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4、7、8的瞬態(tài)速度波動(dòng)幅值較小，說明在靠近雙流道渦室進(jìn)口處易出現(xiàn)較大的速度波動(dòng)，而在靠近渦室出口處速度波動(dòng)較小；渦室流道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均速度隨著t/T的增加有緩慢下降的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

本文對(duì)上充泵從上充工況(34 m3/h)到小流量工況(13.6 m3/h)過渡過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了葉輪、導(dǎo)葉、雙流道渦室內(nèi)瞬態(tài)壓力、速度的變化，得出以下結(jié)論。

1) 在向小流量過渡過程中，葉輪、導(dǎo)葉、雙流道渦室出口處的壓力都有不同程度的上升趨勢(shì)，壓力波動(dòng)在從上充泵進(jìn)口到出口傳遞過程中，其變化幅值經(jīng)由各級(jí)葉輪、導(dǎo)葉后呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)，在雙流道渦室出口處壓力波動(dòng)幅值趨于穩(wěn)定。

2) 葉輪的出口附近、正導(dǎo)葉的進(jìn)口附近、反導(dǎo)葉的出口附近及雙流道渦室靠近第12級(jí)葉輪出口側(cè)都較容易出現(xiàn)大幅值的壓力與速度波動(dòng)。

3) 在向小流量工況轉(zhuǎn)換過程中，邊界層的流體因動(dòng)量的減小，無法繼續(xù)貼著物面流動(dòng)而從物面脫離，流體速度為零的死水區(qū)就會(huì)形成局部回流區(qū)，出現(xiàn)漩渦，且工況點(diǎn)離最高效率點(diǎn)越遠(yuǎn)，流量越小，漩渦區(qū)域越大。

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