摘要： 為研究不同工況下小型堆核主泵內(nèi)部流動情況，采用計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法，選取4種工況（0.6Qd，0.8Qd，1.0Qd與1.2Qd）進行內(nèi)部流動特性分析，并選取具有典型意義的出口中心截面，以三維速度流線、速度分布云圖、渦量分布云圖等形式，對比考察了不同流量工況條件下泵內(nèi)部流動規(guī)律及其變化趨勢.通過分析葉輪與導(dǎo)葉之間的通道回轉(zhuǎn)面壓力、速度分布云圖以及葉輪葉片與導(dǎo)葉葉片的葉片壓力載荷曲線，解析了葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)部的流動分布和能量轉(zhuǎn)換機制，從而為小型堆核主泵的水力優(yōu)化設(shè)計提供直觀認識.研究結(jié)果表明：在設(shè)計流量工況1.0Qd下，小型堆核主泵內(nèi)部流線平順穩(wěn)定，葉片工作面與背面壓力載荷較穩(wěn)定；在小流量工況0.6Qd和0.8Qd下，葉輪葉片上高壓區(qū)增大；在大流量工況1.2Qd運行時，泵內(nèi)壓力分布變化較大；試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的一致性進一步驗證了計算模型的準確性.研究結(jié)果不僅闡釋了小型堆核主泵內(nèi)部的流動特性，而且為小型堆核主泵的設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo).

關(guān)鍵詞： 小型堆核主泵；水動力特性；內(nèi)部流動；數(shù)值計算；試驗

中圖分類號： S277.9；U661.3 文獻標志碼： A 文章編號：" 1674-8530（2024）05-0433-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0287

李天斌，郭喜安，龍云.小型堆核主泵內(nèi)部流動特性數(shù)值計算［J］. 排灌機械工程學(xué)報，2024，42（5）：433-439，455.

LI Tianbin， GUO Xi′an， LONG Yun. Numerical calculation of internal flow characteristics of small modular reactors coolant pump［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（5）： 433-439，455.（in Chinese）

Numerical calculation of internal flow characteristics of

small modular reactors coolant pump

LI Tianbin1， GUO Xi′an2， LONG Yun2*

（1. Shanghai Electric-KSB Nuclear Pumps and Valves Co.，Ltd.， Shanghai 201306， China; 2. National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract：To study the internal flow of small modular reactor （SMR） coolant pumps under different working conditions， a combination method of computational fluid dynamics （CFD） numerical simulation and experimental validation was used. Four operating conditions（0.6Qd， 0.8Qd， 1.0Qd and 1.2Qd）were specifically selected for internal flow analysis. Three-dimensional streamlines were used to represent the flow inside the pump under different conditions. In addition， typical outlet center sections were selected to compare and investigate the internal flow structures and their variations under different flow rates through velocity streamlines， velocity distribution contour maps and vorticity distribution contour maps. Finally， the pressure and velocity distribution contour maps of the channel turning surface between the impeller and diffuser and the blade pressure load curves of the impeller and diffuser were analyzed to elucidate the flow distribution and energy conversion mechanisms within the impeller and diffuser. The results show that under the design flow rate， the internal streamline of the SMR coolant pumps is smooth and stable， and the pressure load on the pressure surface and suction surface of the blades is more stable. Under the partial flow rate of 0.6Qd and 0.8Qd， the high-pressure area on the impeller increases. Under the operation of the flow rate of 1.2Qd， the pressure distribution of the impeller increases significantly. The consistency between the experimental results and the numerical calculation results further confirms the accuracy of the computational model. This research comprehensively elucidates the flow characteristics inside SMR primary pumps， and provides important theoretical basis and practical guidance for their design and development.

Key words： small modular reactors coolant pump;hydrodynamic characteristics;internal flow;numerical calculations;experiments

小型核反應(yīng)堆廣泛應(yīng)用于城市熱電聯(lián)供、海水淡化、工業(yè)供氣、海上平臺能源以及為遠航艦船提供動力等領(lǐng)域［1］.國際原子能機構(gòu)（IAEA）將小型核電機組定義為電功率小于300 MW的機組［2］，如美國一體化堆Nuscale、俄羅斯緊湊型堆KLT-40S、中國中核集團一體化堆ACP100等.先進小型核反應(yīng)堆一般采用一體化設(shè)計及模塊化安裝，大多數(shù)部件在工廠完成組裝［3］，對于其內(nèi)部的穩(wěn)定性具有極高的要求.相比大型核電站，小型核反應(yīng)堆具有較大的成本優(yōu)勢與極強的適應(yīng)性［4］.考慮小型核反應(yīng)堆的一體化、緊湊化及多用途化特點，其核主泵通常選用尺寸小和重量輕的高比轉(zhuǎn)數(shù)水泵型式［5］.

小型核反應(yīng)堆及其回路系統(tǒng)中蒸發(fā)器下腔室與核主泵泵殼空間較小，對葉輪進口處的入流產(chǎn)生一定的影響.率志君等［6］采用FFT對泵蝸殼與葉輪流道內(nèi)的壓力脈動進行研究，發(fā)現(xiàn)蝸殼和葉輪流道內(nèi)的壓力脈動主頻為葉輪葉頻及其倍頻.CHENG等［7］對AP1000核主泵與蒸汽發(fā)生器下腔室進行聯(lián)合計算，并與均勻來流計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)左邊的主泵揚程提高1.10%，效率降低0.86%，而右邊的主泵揚程降低2.20%，效率降低1.45%.這表明蒸汽發(fā)生器的下腔室對核主泵的外特性具有重要影響，甚至有可能改善核主泵的某些水力特性，但是缺乏相應(yīng)的試驗驗證.龍云［8］對AP1000核主泵全流場特性進行數(shù)值計算，并通過試驗驗證了優(yōu)化模型具有較高的水力效率.侯向陶［9］研究了熱管側(cè)蒸汽發(fā)生器下封頭流量分配對核主泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)在下封頭的影響下，核主泵入口流動產(chǎn)生畸變，入流畸變使葉輪的軸向力下降10.5%，使葉輪的徑向力增大8.47倍.倪丹等［10］研究了核主泵內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動結(jié)構(gòu)及其壓力脈動特性，發(fā)現(xiàn)隨著流量增大，動靜干涉作用在靠近出液管的導(dǎo)葉出口處逐漸增強，而在小流量工況下，核主泵內(nèi)部流動復(fù)雜，在類球形蝸殼內(nèi)渦量強度較高，導(dǎo)葉流道堵塞嚴重.張興等［11］分別對有分流葉片和無分流葉片的離心泵模型進行數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)增加分流葉片可提高泵抗空化性能，改善泵內(nèi)壓力脈動.NI等［12］采用數(shù)值計算和試驗相結(jié)合的方法對核主泵瞬時流動進行研究，分析了渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要位置以及壓力脈動的瞬時特性.龍云等［13］對核主泵內(nèi)部流動特性的研究現(xiàn)狀進行綜述，認為對核電站運行中事故工況水動力特性的研究尤為重要，現(xiàn)有的核主泵全特性曲線方程均是通過大量試驗數(shù)據(jù)進行擬合得到，成本較高且數(shù)學(xué)模型精度較低.黃濱等［14］通過試驗對ACP100核主泵模型進行全特性研究，為推廣和發(fā)展中國小型堆核主泵研制提供了有效數(shù)據(jù)支撐.葉竹等［15］使用APEOS對模塊化小型核反應(yīng)堆的瞬態(tài)工況進行數(shù)值模擬，研究了降功率工況、升功率工況及故障工況的泵轉(zhuǎn)速等參數(shù)，但并未對泵內(nèi)部流動特性進行研究.劉懿銳等［16］使用STAR-CCM+對小型反應(yīng)堆上腔室模型進行研究，分析了小型反應(yīng)堆上腔室內(nèi)部的混合特性，但并未深入研究小型核反應(yīng)堆主泵內(nèi)部的特性.楊愛民等［17］對海洋工況下小型核反應(yīng)堆的水力特性進行研究，分析了小型核反應(yīng)堆6個自由度方向的作用力.

綜上所述，現(xiàn)階段對小型堆核主泵內(nèi)部流動特性的研究相對較少.文中采用數(shù)值計算與試驗相結(jié)合的方法，對不同工況下小型堆核主泵內(nèi)部流動特性進行分析，揭示核主泵內(nèi)部流場分布和能量轉(zhuǎn)換機理，并對渦團產(chǎn)生的主要位置進行分析，從而為小型堆核主泵的水力設(shè)計和優(yōu)化提供一定依據(jù).

1 計算模型及數(shù)值計算方法

1.1 計算模型

以某一小型堆核主泵模型為研究對象，其設(shè)計性能參數(shù)分別為流量Qd=1 500 m3/h，轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min，揚程H=15 m，效率η=80%，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=479.2.根據(jù)小型堆核主泵設(shè)計性能參數(shù)確定其水力部件基本幾何參數(shù)，采用商用CFturbo軟件對小型堆核主泵的葉輪和導(dǎo)葉等過流部件進行多參數(shù)建模，如圖1所示.小型堆核主泵計算域主要由直管入口水體、葉輪水體、導(dǎo)葉水體、蝸殼水體與出口段水體等組成.

1.2 網(wǎng)格劃分

對模型進行網(wǎng)格劃分，其中葉輪和導(dǎo)葉采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，直管入口、蝸殼與出口段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.因各方案網(wǎng)格劃分均采用統(tǒng)一尺度網(wǎng)格單元，在同一尺度網(wǎng)格下對不同方案的計算結(jié)果影響不大［18-19］，為了減小多方案計算周期并節(jié)約計算成本，文中選取葉輪水體、導(dǎo)葉水體、直管入口水體、蝸殼與出口段水體的網(wǎng)格數(shù)分別為181萬、140萬、69萬、205萬（總網(wǎng)格數(shù)約為595萬）進行計算.

1.3 數(shù)值計算方法及邊界條件

應(yīng)用ANSYS CFX 2020軟件進行小型堆核主泵內(nèi)部流動計算，控制方程主要包括連續(xù)方程、動量方程及能量方程等.采用SST k-ω湍流模型，該模型具有在壓力梯度大的邊界層內(nèi)計算較精確的優(yōu)點［20-21］，能夠較好地適用于自由剪切流流動.

流動介質(zhì)為25 ℃水，其密度為997 kg/m3，動力黏度為8.899×10-4 kg/（m·s）.泵進口采用質(zhì)量流量邊界條件，壁面為無滑移壁面.設(shè)置葉輪為轉(zhuǎn)動域，導(dǎo)葉、進口段和蝸殼為靜止域，轉(zhuǎn)動部件和靜止部件交接面為Frozen Rotor，對流項采用UpWind格式.

2 小型堆核主泵內(nèi)部流動特性

雖然核主泵長期在設(shè)計工況下運行，但工作過程中往往存在多工況的需求.為了分析小型堆核主泵的性能，揭示小型堆核主泵在小流量和大流量工況下內(nèi)部流動的變化，文中選取設(shè)計工況1.0Qd及其附近的0.6Qd，0.8Qd和1.2Qd工況進行計算.

2.1 整泵內(nèi)部流動

圖2為不同工況下核主泵內(nèi)部流線分布.

由圖2可以看出：在不同流量工況下，泵內(nèi)速度流線分布差異較大，隨著流量增大，泵內(nèi)流速增大；在小流量工況下，導(dǎo)葉出口與蝸殼內(nèi)部形成了明顯的低速渦團；在大流量工況下，導(dǎo)葉出口與蝸殼內(nèi)部流線更為平順；在設(shè)計流量工況下，由于小型堆核主泵未采用傳統(tǒng)的螺旋形蝸殼，而采用了對稱的類球形蝸殼，泵殼內(nèi)沿著周向截面的流速并不是均勻分布，靠近出口處A區(qū)域與B區(qū)域有著較大的速度差，導(dǎo)致泵殼內(nèi)速度流線極為混亂，受導(dǎo)葉內(nèi)出流影響，在泵殼內(nèi)形成大尺度渦團.這種渦團一方面導(dǎo)致流道堵塞，另一方面反向影響導(dǎo)葉內(nèi)的流動，進而對葉輪內(nèi)的流動產(chǎn)生影響.

2.2 葉輪出口速度流線云圖

圖3為不同工況下葉輪出口中心截面速度流線分布，可以看出：在不同流量工況下，在導(dǎo)葉相鄰流道流出蝸殼的區(qū)域形成明顯的低速區(qū)，低速區(qū)內(nèi)有較為明顯的旋渦，這種低速渦團主要受導(dǎo)葉翼型結(jié)構(gòu)和葉輪內(nèi)高速射流共同影響，在小流量工況和大流量工況下均較為明顯，而在設(shè)計工況附近較弱；蝸殼出口處流線隨流量變化具有明顯的差異，小流量時流線明顯偏向A區(qū)域，尤其向泵殼壁面聚集，設(shè)計流量時流線基本處于分布均勻的狀態(tài)，隨著流量增大，流線又向B區(qū)域偏移（見放大部分）；在0.6Qd工況下，B區(qū)域存在顯著的回旋渦團，周圍的流動軌跡受到渦結(jié)構(gòu)的影響而產(chǎn)生扭曲，流動的順暢性受到較大的影響.

2.3 蝸殼內(nèi)渦團分布

圖4為采用q準則提取的導(dǎo)葉出口中心平面處渦量ω分布，可以看出：在不同流量工況下，各過流部件都有明顯的渦結(jié)構(gòu)，葉輪中渦結(jié)構(gòu)主要分布在葉片前緣，導(dǎo)葉處渦結(jié)構(gòu)主要分布在導(dǎo)葉葉片間的通道內(nèi)與葉片尾緣處；在非設(shè)計工況下，各過流部件內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)明顯增多，各尺度渦團相互作用導(dǎo)致蝸殼內(nèi)部流動紊亂；在1.2Qd工況下，蝸殼與出口段的渦結(jié)構(gòu)明顯增多，此時出口處的流動更加紊亂，且B區(qū)域產(chǎn)生的大尺度渦團隨流動方向逐漸消散；在0.6Qd工況下，導(dǎo)葉內(nèi)部渦團數(shù)量較多，嚴重堵塞流道；在1.0Qd工況下，渦團快速消失.

2.4 葉輪與導(dǎo)葉葉片通道回轉(zhuǎn)面壓力與速度云圖

葉片通道回轉(zhuǎn)面為葉片通道內(nèi)壁面至外壁面某個位置展開面，由span參數(shù)確定.圖5為span參數(shù)確定的葉片通道回轉(zhuǎn)面示意圖.

圖6為不同流量工況下span=0.5處葉輪葉片通道回轉(zhuǎn)面壓力云圖，可以看出，隨著流量增大，葉輪出口區(qū)域的壓力逐漸減小.

圖7為不同流量工況下span=0.5處葉輪葉片通道回轉(zhuǎn)面速度云圖，可以看出：在小流量工況下，葉片頭部存在明顯的低速區(qū)，與壓力分布中的高壓區(qū)基本對應(yīng)，在葉片頭部靠近吸力面存在局部高速區(qū)；隨著流量增大，液流角度得到優(yōu)化，葉輪流道內(nèi)低速區(qū)明顯減小，流動更為平順.

圖8為不同流量工況下span=0.3處導(dǎo)葉葉片通道回轉(zhuǎn)面速度流線云圖，可以看出：在0.6Qd工況下，不僅在導(dǎo)葉流道末尾處，在導(dǎo)葉流道內(nèi)部也出現(xiàn)了渦結(jié)構(gòu)，堵塞流道流動；隨著流量增大，導(dǎo)葉內(nèi)的低速渦團逐漸減弱，流線變得平順.

2.5 葉輪與導(dǎo)葉葉片壓力載荷分析

整泵在運行過程中主要承受液動載荷與機械載荷作用，且2種載荷較為復(fù)雜.圖9為葉輪葉片壓力載荷分布曲線，圖中橫坐標S為沿葉片展向量綱一化位置（0～1.0表示從葉片前緣到尾緣）.

由圖9可以看出：在設(shè)計流量1.0Qd工況下，葉輪葉片的工作面與背面所受壓力差值較為穩(wěn)定，沒有較大的波動；span=0.3處，在小流量0.8Qd工況下S=0～0.2區(qū)間所受壓力差值明顯高于其他工況.span=0.9處，在0.8Qd下壓力差值增高區(qū)延展至S=0.4處；在偏大流量1.2Qd工況下，隨著span增大至0.9，靠近葉片頂端的壓力差值減小，甚至葉輪葉片的壓力載荷數(shù)值出現(xiàn)交匯.葉輪葉片工作面與背面壓力載荷差值越大，葉輪的性能越好，整體上，在設(shè)計流量工況下，葉輪性能較佳.

由于葉片載荷與葉片兩側(cè)壓差的作用，工作面上的速度比對應(yīng)半徑上背面的速度低，而不穩(wěn)定的葉片載荷造成了導(dǎo)葉內(nèi)部流動的紊亂，導(dǎo)葉葉片壓力載荷分布如圖10所示.

由圖10可以看出，小型堆核主泵在非設(shè)計工況下運行時，在S為0.6～0.8位置內(nèi)導(dǎo)葉葉片壓力載荷出現(xiàn)明顯的突然增大的驟變，而在其他位置不同流量工況下的壓力載荷變化趨勢基本相似.導(dǎo)葉葉片出現(xiàn)驟變的區(qū)域同樣是出現(xiàn)低速渦團的區(qū)域，在非設(shè)計工況下運行時，葉片正反面壓力載荷數(shù)值出現(xiàn)交匯的情況.

3 小型堆核主泵水動力性能試驗

試驗標準參考GB/T 18149—2000，采用直管進口，對核主泵在不同流量工況下進行外特性試驗，并將試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，如圖11所示.

由圖11可以看出：在設(shè)計流量工況附近，數(shù)值計算和試驗所得的外特性曲線變化趨勢相同，但在小流量工況附近數(shù)值計算和試驗的數(shù)值偏較大；在設(shè)計流量工況下，數(shù)值計算揚程H=16.0 m，試驗揚程H=15.5 m，試驗結(jié)果滿足設(shè)計參數(shù)要求，且計算值高于試驗值3.2%，誤差小于5%；在設(shè)計流量工況下，數(shù)值計算效率η=82.5%，試驗效率η=81.2%，試驗結(jié)果滿足設(shè)計參數(shù)要求，且數(shù)值計算效率高于試驗效率1.3%.

通過數(shù)值計算與試驗對比，驗證了數(shù)值計算的可靠性.同時分析兩者誤差產(chǎn)生的原因，主要是數(shù)值計算沒有考慮管路與泵內(nèi)壁的粗糙度，忽略了沿程水力損失與壁面效應(yīng).

4 結(jié) 論

通過對不同工況下核主泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，獲得了不同工況下整泵內(nèi)部流動情況，并進行試驗驗證，得到結(jié)論如下：

1） 通常核主泵蝸殼采用球形或類球形設(shè)計，該結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力較為均勻，但這種結(jié)構(gòu)蝸殼使環(huán)向流速不均勻，將引起二次流，造成額外的流動損失，同時，蝸殼內(nèi)的流動會反向干涉導(dǎo)葉和葉輪內(nèi)的流動，致使葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的流動不穩(wěn)定，誘導(dǎo)更為嚴重和復(fù)雜的流致振動.

2） 不同流量工況對小型堆核主泵內(nèi)部的流動特性影響較大，在偏離設(shè)計工況下運行所產(chǎn)生的影響往往是負面的.在設(shè)計流量工況下，小型堆核主泵內(nèi)部流線平順穩(wěn)定，內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)少且尺度小，葉片工作面與背面壓力載荷較穩(wěn)定.在小流量工況下，核主泵內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)強度明顯增強，在0.6Qd和0.8Qd小流量工況運行時，葉輪葉片上高壓區(qū)增大，導(dǎo)葉葉片間出現(xiàn)大量的渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致導(dǎo)葉流道堵塞，導(dǎo)葉葉片壓力由于渦結(jié)構(gòu)的影響出現(xiàn)驟變，蝸殼內(nèi)出現(xiàn)不同尺度的渦結(jié)構(gòu).在1.2Qd流量工況運行時，葉輪葉片上低壓區(qū)增大，壓力分布變化較大，導(dǎo)葉葉片尾緣處旋渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的形式與小流量相反，葉片上壓力同樣也會出現(xiàn)驟變.

3） 對比核主泵外特性數(shù)值計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)，在設(shè)計工況附近，兩者誤差較小；但在偏小流量工況，誤差較大.試驗驗證了數(shù)值計算結(jié)果的可靠性.

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（責(zé)任編輯 陳建華）

收稿日期： 2022-11-18； 修回日期： 2023-01-20； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2024-04-25

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240423.1113.016

基金項目： 國家自然科學(xué)基金資助項目（51906085，U20A20292）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2019M651734）

第一作者簡介： 李天斌（1979—），男，山東東阿人，高級工程師（ Tianbin.li@sec-ksb.com），主要從事核主泵設(shè)計研究.

通信作者簡介： 龍云（1988—），男，江蘇宿遷人，副研究員，博士（longyun@ujs.edu.cn），主要從事流體機械內(nèi)部流動研究.