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反应堆冷却剂泵多相流及流固耦合振动特性研究

作　者: 陈向阳
导　师: 袁丹青
学　校: 江苏大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 反应堆冷却剂泵流固耦合理论分析数值模拟振动多相流
分类号: TH38
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

反应堆冷却剂泵(以下简称主泵)被喻为反应堆的心脏,属于核Ⅰ级安全泵,它直接关系着整个反应堆的运行状况和安全性能。在进行主泵的设计时,必须全面考虑各种工况,并选择适当的模型进行水力、振动及多相流特性分析,保证其具有很高的安全性和较好的经济性。因此,利用先进的研究手段对主泵内部流场和结构应力场进行分析,对准确揭示其相关规律、保障其安全运行都具有重要的意义。本文从第三代反应堆主要堆型——压水堆的发展现状和特点出发,针对主泵的安全性和经济性问题,运用计算流体力学技术,并结合流固耦合技术对其振动和多相流特性展开了较为广泛的研究。本文的主要工作及研究成果包括:1.总结了主泵的发展过程和研究现状,并进行简要分析,确定了基本研究路线。阐述了轴流式主泵的基本设计理论,分别应用升力法和流线法设计了主泵的叶轮和导叶;2.分别应用Pro/E和ANASYS Workbench软件,对主泵实体和流道进行了三维实体建模及网格划分,并对流场、结构应力场耦合(流固耦合)计算的控制方程、离散求解方法、多相流模拟理论和网格划分技术等进行了简要阐述;3.从主泵的安全和经济性能出发,利用Navier-Stokes方程和标准κ-ε湍流模型对其内部流场进行了数值模拟,根据模拟结果对整体效率和压力脉动进行了深入分析,并通过对比分析提出了优化设计方案,保证了水力部件对整个泵段压力脉动的影响较弱,对主泵机组振动的贡献较小,且具有较好的经济性;4.对高温高压工作环境下的主泵叶片所承受的各种应力进行了理论分析,并利用流固耦合技术,通过求解耦合方程,对稳定工况下的叶片应力进行计算和分析。强度校核结果表明:本文主泵满足美国机械工程师协会的强度要求。为改进叶片翼型设计、保障主泵水力性能和强度要求提供了有效依据;5.根据流场压力脉动特性,对叶片的振动问题进行了深入的理论分析,通过反复利用流固耦合技术,仿真了主泵的模态特性,得到其自振频率和振型,用以保证主泵避免共振;6.针对反应堆冷却剂泄露事故,利用Navier-Stokes方程、两相κ-ε湍流模型和欧拉-欧拉非均相流模型,对主泵内部流场气液两相流流动进行了数值模拟,详细分析了两相流工况下扬程与空泡平均直径、进口处的空泡体积分数和冷却剂温度之间的内在联系,并对主泵的瞬态性能进行了有效预测,其结果可为电机、惰转飞轮等部件的安全设计提供理论依据。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-22
  1.1 反应堆冷却剂泵概述  13-16
    1.1.1 第三代反应堆及其主泵  13
    1.1.2 EPR的主泵  13-14
    1.1.3 AP1000的主泵  14-15
    1.1.4 主泵的运行状态  15-16
    1.1.5 主泵的抗灾性能  16
  1.2 反应堆冷却剂泵国内外技术及研究现状  16-19
    1.2.1 EPR与AP1000主泵技术现状的比较  16-17
    1.2.2 国内研究现状  17-18
    1.2.3 国外研究现状  18-19
  1.3 国内外研究动态分析  19-20
    1.3.1 反应堆冷却剂泵数值研究  19-20
    1.3.2 反应堆冷却剂泵的研究思路  20
  1.4 本文研究的主要内容及意义  20-22
第二章流固耦合及多相流数值模拟理论  22-35
  2.1 流固耦合技术概述  22-24
    2.1.1 耦合场分析  22
    2.1.2 流固耦合分析及其研究现状  22-24
    2.1.3 主泵流固耦合振动分析及技术路线  24
  2.2 多相流模拟技术概述  24-26
    2.2.1 多相流研究方法  24-25
    2.2.2 多相流研究方法对比分析  25-26
    2.2.3 主泵气液两相流分析的技术路线  26
  2.3 流场数值计算理论  26-33
    2.3.1 常用数值方法概述  26-28
    2.3.2 湍流模式概述  28-30
    2.3.3 单相流场控制方程  30-31
    2.3.4 气液两相流控制方程  31-33
  2.4 结构场数值计算理论  33-35
    2.4.1 热场控制方程  33-34
    2.4.2 结构应力场控制方程  34
    2.4.3 流固耦合模态分析控制方程  34-35
第三章主泵水力设计、三维造型及网格生成  35-50
  3.1 轴流式主泵叶轮水力设计  35-40
    3.1.1 水力设计方法简介  35
    3.1.2 叶轮水力设计  35-40
  3.2 轴流式主泵导叶水力设计  40-42
  3.3 轴流式反应堆主泵三维造型  42-44
    3.3.1 Pro/E简介  42-43
    3.3.2 主泵三维造型  43-44
  3.4 网格生成  44-50
    3.4.1 网格生成技术  45-46
    3.4.2 反应堆主泵及其内部流道网格的生成  46-47
    3.4.3 网格质量检查  47-50
第四章主泵经济性和安全性基础研究  50-63
  4.1 研究方案概述  50-51
  4.2 主泵经济性研究  51-56
    4.2.1 理论分析  51-52
    4.2.2 数值模拟速度、压力分析  52-54
    4.2.3 性能曲线分析  54-56
  4.3 主泵安全性基础研究  56-63
    4.3.1 研究方法理论分析  56
    4.3.2 压力脉动结果分析  56-63
第五章叶片应力理论分析与流固耦合仿真  63-75
  5.1 叶片应力理论分析  63-68
    5.1.1 叶片应力概述  63-64
    5.1.2 热应力分析  64-66
    5.1.3 拉应力分析  66-67
    5.1.4 弯曲应力分析  67-68
  5.2 基于流固耦合技术的叶片应力模拟  68-75
    5.2.1 叶片应力仿真的研究方案  68-69
    5.2.2 流固耦合传热模拟  69-72
    5.2.3 基于流固耦合技术的叶片应力模拟  72-75
第六章主泵振动分析及流固耦合仿真  75-83
  6.1 主泵振动理论分析  75-78
    6.1.1 振动问题概述  75-76
    6.1.2 叶片振动分析  76-78
  6.2 基于流固偶合技术的振动仿真  78-83
    6.2.1 振动仿真的方案研究  78-79
    6.2.2 计算结果及分析  79-83
第七章主泵气液两相流问题研究  83-92
  7.1 反应堆气液两相流事故工况概述  83-84
  7.2 研究方法概述  84-85
  7.3 气液两相流微观特性研究  85-87
    7.3.1 模拟控制  85
    7.3.2 微观特性分析  85-87
    7.3.3 综合分析  87
  7.4 气液两相流影响因素及瞬态特性研究  87-92
    7.4.1 影响因素分析  87-90
    7.4.2 主泵事故工况瞬态性能预测  90-92
第八章总结与展望  92-94
  8.1 研究结果总结  92-93
  8.2 研究工作展望  93-94
参考文献  94-100
致谢  100-101
攻读硕士学位期间发表的学术论文  101

反应堆冷却剂泵多相流及流固耦合振动特性研究

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