流场可视化作业

核主泵内部流场可视化研究报告
1.前言
核主泵位于核岛的心脏部位，作为核电的核心，它的的功能是使冷却剂在反应堆冷却剂系统中循环，以带走堆芯核反应产生的热量，把热量传递给蒸汽发生器二次侧给水。

属于核电站的一级设备。

核电设备的安全性始终是放在第一位。

核主泵内部流场变化规律对核主泵安全性能有重要影响，因此，研究核主泵内部流场变化规律具有重要意义。

2.几何模型
核主泵几何模型主要包括叶轮、导叶、压水室和入口管四个部分。

叶轮是核主泵内唯一高速旋转的动力部件，其性能的好坏直接影响了整个核主泵的水力性能和安全性能。

导叶位于叶轮之后，是固定的水力部件，其主要作用有两个，一是把叶轮中的流体均匀地导入压水室中，减少水力冲击，二是将流体的动能转化为压力能，有利于提高整体水力效率。

压水室也是固定的水力部件，其结构形式通常为螺旋形或环形，考虑到特殊性的安全性能要求，核主杲采用了球型压水室，其主要作用是收集从导叶中流出的冷却剂，降低其速度，变动能为压能，输送至出口处。

表1 叶轮和导叶主要参数
表2 压水室主要参数
叶轮的数据导入ANSYS-BladeGen 之后，如图1所示:a 图为子午面图，可实时修改各点数据，控制流线形状；C 中为包角及进出口安放角随流线分布曲线图，可控制叶片包角及进出口安放角，改变其中一个参数，另一个也会随之变动；d 图为叶片厚度随流线分布曲线图，可精确控制流线上每个点的叶片厚度；所有数据更改均可在b 中三维图中实时显示，并可调整三维图显示方式，可显示单叶片、双叶片或全叶片，也可显示线框图或遣染图。

(a)子午面 (b)模型显示
(c)叶片安放角及包角分布 (d)叶片厚度分布
图1：叶轮模型生成
导叶的数据导入ANSYS-BladeGen 之后，基本与叶轮相似。

如图2所示:a 图仍为子午面图，所不同的是，因为叶轮是高速旋转的，而导叶是静止的，其主要作用是把冷却剂的轴向速度转换为径向速度，所以导叶的子午面图为叶轮子午面的延续；C 图仍为包角及进出口安放角，所不同的是导叶的进口安放角随着叶轮的出口角选定由三角函数关系可以计算求得，而包角与叶轮方向相反，叶轮为顺时针，导叶为逆时针；d 图中仍为叶片厚度；b 图仍为三维视图显示，同叶轮。

(a)子午面(b)模型显示
(c)导叶安放角及包角分布(d)导叶厚度分布
图2：导叶模型生成
压水室的数据导入ANSYS-Geometry之后，如图3所示:a图为流体域部分的平面基本尺寸，坐标点可以设置为固定或者自由，固定坐标用于确定的坐标点或者定位坐标点，自由坐标用于控制压水室变动参数，以利于压水室参数的优化；b图为a生成流体域部分的三维图；C图为压水室设计参数的定义设置图，即对a中的自由参数的定义，压水室设计参数主要有压水室半径、出口管半径、导叶出口中心与压水室出口中心的相对位置等。

(a)基本尺寸(b)模型显示
(c)参数设置
图3：压水室模型生成
入口管的数据导入ANSYS-Gcometry之后，与压水室类似，如图4所示:a图为流体域部
分的平面图；b图为由a生成的流体域部分的三维图；C图为入口管设计参数定义设置图，由于入口管结构简单，可控参数只有入口管直径。

(a)基本尺寸(b)模型显示
(c)参数设置
图4：入口管模型生成
3.网格划分
模型建立好之后采用ANSYS-TurboGrid 和ANSYS-Mesh对模型进行网格划分。

使用ANSYS-Turbogrid对叶轮和导叶进行网格划分，生成拓扑结构时可以选择ATM优化或者H/J/C/L网格传统控制点法。

选择ATM优化，网格大小控制有目标流道网格尺寸和全局尺寸因子两种方法，采用后者，设置全局尺寸因子为1.3，近壁面尺寸规格选择y+，雷诺数选择1e08。

其他选择默认选项，完成叶轮及导叶网格划分。

先对单个流道进行网格划分，之后对流道进行阵列得到全流道的网格划分。

划分的网格类型都是结构化六面体网格。

单个叶轮的网格数为24万，单个导叶的网格数为28.5万，网格划分好之后可以查看网格质量。

如图5(c)。

用ANSYS-Mesh对压水室和进水管进行网格划分。

为保证压水室及入口管处与叶轮导叶交界处的数据能顺利准确的传递，采用非结构化四面体网格，并采用局部网格加密技术。

在入口管与叶轮交界面、压水室与导叶交界面采用局部网格加密技术，设置加密网格尺寸为1 ×10^-2 m，得到压水室网格为142万，入口管网格6万。

(a)叶轮网格(b)导叶网格
(c)网格质量
图5：叶轮及导叶单个流道网格划分
(a)压水室网格(b)进口管网格
图6：压水室及入口管网格
4.计算设置
核主泵主要技术参数如表3所示，依据表中数据展开如下设置。

表3 核主泵主要技术参数
设计压力设计温度设计流量扬程转速
○1基本设置。

定义计算类型为定常计算，外部耦合计算器选项为无，建立符合核主泵设计工况条件下的冷却剂材料(温度350°C，压力17.3Mpa，未饱和水)，其密度为610kg/m^3。

○2表达式(Expression)的定义。

先定义需要在设置中使用的表达式，定义叶轮转速表达式为“N=-1500[rev/min]”；定义扬程表式为“HEAD=(massFlowAve(Total Pressure in Stn Frame )@outlet-massFlowAve(Tolal Pressure in Stn Frame )@inlet)/9800[kg m^-2 s^-2]”；定义水力效率表达式为“eff=100*g*HEAD *massFlow()@REGION:Entirc INBlock INFLOW / (torque_z()@R1 Blade * abs(N) )* 1[rad]”。

○3域(Domain)的设置。

在计算过程中需要定义四个域，分别为进口管，叶轮，导叶和压水室的流体域。

叶轮是旋转部件，其运动类型定义为旋转(Rotating)，定常计算时转速为设计转速1500rev/min，逆时针方向。

其他水力部件是静止部件，运动类型定义为静止(Stationary)。

四个部件的湍流模型均设为K-Epsilon模型。

○4边界(Interface)条件设置。

边界条件包括进口边界，交界面边界和出口边界。

选择进水管端面作为入口，其类型设置为进口(inlet)。

选择压水室出口管端面作为出口，由于压水室出口可能存在回流，其类型设置为开口(Opening)。

进口边界选用质量流量(Mass Flow Rate )入口条件，其值设为385kg/s。

出口选择平均静压(Average Static Pressure)出口条件，其值设为0 Pa。

交界面一共有三处，分别是入口管与叶轮的交界面，叶轮与导叶的交界面，导叶与压水室的交界面。

交界面的模式设置为一般连接(General Connection)。

前两个交界面是旋转部件与静止部件的交界面，在稳态时交界面类型(Frame Change/Mixing Model)设置为冻结转子模型(Frozen Rotor)，在瞬态仿真时交界面类型(Frame Change/Mixing Model)设置为瞬态转子定子模型(Transient Rotor Stator)。

导叶与压水室的交界面为两静止部件的连接，坐标和斜度均不发生变化，交界面的类型(Frame Change/Mixing Model)设置为无交界面(None)。

○5求解(Solver Control)设置。

求解格式设定为高精度求解(High Reslution)模式，湍流数值运算(Turbulence Numerics)设置为高精度(High Reslution)模式。

收敛控制设定为自动时间(Auto Timescale )尺度，收敛残差设定为1e-4。

时间因子设定为1，迭代步数最大设置为1000步，其余采用默认设置。

○6输出(Output Control)设置。

在监控(Monitor)选项中添加扬程和水力效率表达式，即可在模拟中实时监控两者的值是否趋于稳定。

同时也可在监控(Monitor)选项中添加监测点(Monitor Points)，监测某一点的物理量。

在输出变量表(Output Variables list)里选择要监控的变量。

可选择压力(Pressure)，绝对压力(Absolute Pressrue)，速度(Velocity)，湍动能(Turbulence
Kinetic Energy)等。

图7：数值模拟计算设置
5.计算结果
流线图
从流线图中可以看出，在压水室靠近出口的一侧存在非常严重的回流，这个区域的流动非常不规律，流动比较混乱，主要原因是部分流体经过导叶的调节后出流方向与压水室出口方向不一致，与壁面发生碰撞回流到导叶出口，再绕着导叶一周才得以从压水室出口流出，有些流体质点甚至第二次也发生碰撞仍不得流出压水室，导流流动损失较大。

后期可考虑改善导叶结构形式以改善导叶出流。

图8：核主泵流线图
图9：叶轮导叶局部流线图
速度云图
从速度云图中可以看出，在压水室的回流区存在一个低速区，此低速区大约呈一个C 形。

在压水室出口管的地方存在一个局部低速区，这是由于导叶出流与出口管壁面碰撞所致，同时在压水室出口管的另一侧也存在低速区，这是因为导叶出流角与出口管轴线夹角较大所致，导致流体流向出口管一侧，而另一侧流体流量较少，在流量较少的区域形成类似卡门涡街结构形式的流场。

从叶轮速度云图中可以看出，眼轮毂到轮缘，由于叶轮的旋转做功，沿半径方向速度逐渐增大。

图10：z正向速度云图
图11：z负向速度云图
图12：z=0.16m处切片速度云图
图13：叶轮导速度矢量图
由于流体进入叶轮进口与叶片进口安放角不一致，流体将冲击叶片的工作面，在叶片的凹面形成漩涡，由旋涡组成的流体堵塞团（称为失速团或失速区）将沿着叶轮旋转的相反方向轮流在各个流道内出现，失速团首先出现在叶轮的凹面，向叶轮的凸面转移扩散。

处在旋转失速区，冲击作用强，湍动剧烈，压力脉动幅值最大，沿着圆周方向传播时，由于湍动耗散，压力脉动幅值下降。

压力云图
从压力云图中可以看出，在压水室回流区的低速区是一个局部低压区，因为此区域湍动剧烈，能量耗散比其他区域大，根据能量守恒可知，此处由压力表征的能量比其他区域要低。

从叶轮进口到出口可以看出，压力是逐渐上升的。

压水室沿着半径方向其压力也在上升。

在出口管处靠近回流一侧，压力较高，非回流一侧压力相对较低。

图14：z正向压力云图
图15：z=0.16m切片压力云图
图16：叶轮导叶压力云图。