核泵系统瞬态特性及其与部件内部流动的耦合模拟研究

The ongoing NSFC project mainly focuses on the transient flow of centrifugal pump and its simulation methods, and some major progresses have been achieved. We investigated the cavitation phenomenon of pump during rapid starting period and found the suppression or delay effect of pump startup on transient cavitation. We investigated the transient flow evolution of pump during rapid starting period and found the potential flow structure and vortex evolution in pump impeller. We established the description model of acceleration rotating region and the treatment methods of dynamic boundary conditions, and successfully simulated the transient flow of pump during starting period. We also studied the transient characteristics of the nuclear pump model during coastdown period. Funded by NSFC, We have published 12 papers, and have got 2 patents and 2 research awards. Based on previous progress, this project will focus the requirement of safety of the nuclear system, and research transient characteristics of the nuclear pump system and transient flow of the key components. The research contents include: simulation of transient flow of pump under high temperature condition; coupled simulation of 3D flow of the components and transient characteristics of the pump system; research on the transient analysis models and methods of the nuclear pump system; research on internal flow and transient characteristics of the components and system during pump starting or stopping period. The objects of this project is to make known the mechanism of transient characteristics and internal flow of the nuclear pump system, and to establish the theories and methods of coupling analysis of the pump system and components, and to promote the application of the results in the nuclear power and related fields.

在研青年基金项目主要研究离心泵瞬态操作条件下的内流机理和数值模拟方法。重要进展包括: 研究了泵快速启动瞬间的空化现象，发现启动过程对空化的抑制或延迟作用；研究了泵启动过程的内流演化机理，发现启动初期叶轮内的势流结构及涡结构演化现象，及其与瞬态外特性的联系；建立了变速旋转区域描述模型及动态边界处理方法，实现泵启动过程的瞬态内流模拟；面向核泵系统研究了停机惰转过程的瞬态特性；已发表论文12篇，授权发明专利2项，获科研奖励2项。基于上述进展，本项目面向核电安全领域的研究需求，兼顾核泵系统瞬态特性和关键部件瞬态流动开展研究。研究内容包括：高温条件下泵内部瞬态流动模拟，复杂部件三维流动与系统动态特性的耦合模型，系统瞬态特性分析模型与方法，核泵启停过程的系统瞬态特性及部件内部流动。目标在于揭示核泵系统的瞬态特性及部件内流机理，建立系统耦合分析的理论与方法，促进成果在核电及相关领域应用。

随着核电技术的发展和系统可靠性要求的提高，核泵系统的安全运行与设计受到广泛重视，有关系统启停、设备或系统故障带来的瞬态过程需要得到充分研究，并且需要大量的流体机械理论和应用研究给以支撑。由于关系到核电系统的安全可靠性，核反应堆冷却循环系统以及各类含泵辅助系统的瞬态特性非常关键，而各种介质条件下的泵内流动、兼顾部件内部流动和系统动态特性的耦合分析方法、复杂系统瞬态特性分析等关键问题的研究是重要基础。在项目负责人前期开展的离心泵瞬态过程内部瞬态流动计算方法、瞬态流动演化机理和瞬态汽蚀特性等方面的研究基础上，本项目主要针对核泵瞬态特性开展了一些列基础研究，并通过理论研究、实验验证、数值模拟等相结合的方法开展泵系统瞬态工况下的内部流动机理、系统动态特性及其控制的研究工作。研究内容主要包括高温条件下的离心泵内部瞬态流动模拟与性能分析、泵系统复杂部件三维瞬态流动与一维系统动态特性的耦合模拟及其算法、核泵系统启停过程等瞬态特性等研究。同时，在多维度耦合方法验证及系统可靠性运行方面，进一步开展了管路瞬变流的三维CFD模拟方法研究、考虑流固耦合效应的一维管路瞬变流及其多维度耦合研究、并联泵组高效高可靠性运行问题研究、止回阀启闭特性对系统瞬态特性影响分析以及环形密封瞬态流场模拟及其动力学特性研究等。项目执行期间已发表或录用SCI收录论文18篇，在国际会议做邀请报告3次，授权发明专利3项，获省部级科技奖励2项。研究成果对于指导核系统设备设计及安全稳定运行具有一定的指导意义，对其他泵送系统瞬态分析与安全保障技术研究具有参考作用。