余熱排出泵內部不穩(wěn)定流動數值模擬與實驗研究

陸 榮, 袁建平, 朱鈺雯, 付燕霞, 周幫倫

(江蘇大學 國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

余熱排出泵內部不穩(wěn)定流動數值模擬與實驗研究

陸 榮, 袁建平, 朱鈺雯, 付燕霞, 周幫倫

(江蘇大學 國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了研究余熱排出泵在多工況下內部流動特性，基于ANSYS CFX軟件，采用SST湍流模型，對模型泵進行三維非定常數值模擬，獲得了不同工況下余熱排出泵的水力性能、內部流場結構和壓力脈動特性，同時展開壓力脈動實驗研究，并與計算結果進行對比。研究結果表明：大流量(1.2Qd)和設計流量(1.0Qd)工況下，葉輪和導葉內部流動比較穩(wěn)定，隨著流量的減小葉片進口背面附近開始形成失速旋渦，流道內均發(fā)生不同程度的流動分離，且沿著流道向出口處發(fā)展；葉輪出口壓力脈動主頻為7fz，受導葉葉片數影響；導葉和蝸殼出口的主頻均為5fz，主要由葉頻決定；設計流量下各監(jiān)測點處壓力脈動系數幅值最小，越往小流量工況，幅值越大；說明在小流量工況下余熱排出泵內部出現了不穩(wěn)定流動現象。

余熱排出泵；壓力脈動；流動分離；數值模擬；實驗研究

余熱排出泵是余熱排出系統(tǒng)的主要組成部分，是除核主泵之外唯一布置在核島之內的二級泵，是關系到核島能否安全停堆的核心裝備[1]，余熱排出泵運行范圍較大，在非設計工況下運行時，泵內部容易產生如回流、失速、空化等不穩(wěn)定流動現象[2]，這些不穩(wěn)定流動會破壞流場結構限制泵的高效運行范圍，降低泵運行的穩(wěn)定性，嚴重時可引發(fā)機組的共振[3-5]。張人會等[6]對葉輪進口附近流動在偏離設計工況下的回流和空化特性進行了系統(tǒng)的描述, 闡述了它們的誘發(fā)機理及其對泵性能的影響。得出：葉輪進口附近的逆壓力梯度是導致回流形成的根本原因，減小葉片角分布系數, 可使葉片最大載荷系數向葉輪出口方向移動，降低回流的誘發(fā)流量。JOHNSON等[7]運用LDV測試技術對離心泵葉輪內流場的流動情況進行測量，研究發(fā)現：小流量工況下，在葉輪旋轉一個周期過程中，葉輪流道內的失速狀態(tài)和非失速狀態(tài)交替出現。張睿等[8]基于非定常的 RANS方程，采用濾波器湍流模型對某一軸流泵模型在不同工況下的內部流場進行數值計算，結果表明：在小流量工況下泵內部發(fā)生回流和失速，并提出了改善失速工況下軸流泵水力性能的方法。

本文以余熱排出泵水力樣機為研究對象，對其進行數值模擬和實驗研究，分析在各個工況下葉輪、導葉內的流動現象，重點掌握不穩(wěn)定流動現象隨流量和時間的變化規(guī)律，為提高余熱排出泵運行穩(wěn)定性和安全可靠性提供一定的參考。

1 幾何模型及計算方法

1.1 幾何模型

本次選用的余熱排出泵為臥式、單級單吸、后開門式的離心泵，其結構示意圖如圖1所示。其主要設計參數：流量Qd=312 m3/h，揚程Hd=38 m，轉速n=1 490 r/min，比轉速ns=105。

通過三維造型軟件Pro/E對余熱排出泵水力樣機進行三維造型，整個計算區(qū)域包括進口段、葉輪、導葉、蝸殼及出口段。為了使流體在進入葉輪前能得到充分發(fā)展并較準確地模擬流體的流動狀況，對進、出口段進行了適當延長，如圖2所示。

圖1 余熱排出泵結構圖Fig.1 Structure sketch drawing of residual heat removal pump

圖2 余熱排出泵三維模型Fig.2 3D model of residual heat removal pump

1.2 網格劃分及無關性檢驗

網格劃分是重要的數值計算前處理步驟，網格質量和數量直接影響到計算結果準確性。本文運用ANSYS ICEM軟件對計算域進行網格劃分，選用適合形貌復雜、質量較高的六面體結構化網格[9]，并進行網格無關性分析，其對應的設計工況下的計算結果如表1、圖3所示。

表1 網格數目對比Tab.1 Comparison of meshes

圖3 網格無關性分析Fig.3 Check of grid independence

由圖3可知，網格數大于390萬后揚程趨于穩(wěn)定，且與設計值的誤差小于5%，為了節(jié)約計算時間及資源選用第四套的網格數進行計算。各過流部件的網格信息如表2所示，計算域的網格劃分如圖4所示。

表2 過流部件的網格基本信息Tab.2 Geometrical parameters of flow passage components

圖4 計算域網格Fig.4 Mesh of computational domain

1.3 湍流模型及邊界條件

SST湍流模型考慮了湍流剪切力的運輸，能夠適應逆壓梯度變化的流動現象，能精確地預測流動的開始和逆壓力梯度下流體的分離[10-12]。所以文中選用SST湍流模型和連續(xù)方程使動量方程封閉，采用SIMPLEC算法求解三維不可壓縮雷諾平均N-S方程邊界件分別設置為進口為全壓進口，出口為質量流量出口；壁面為無滑移、光滑、絕熱壁面；葉輪流道區(qū)域設置為旋轉坐標系，進口段、導葉以及蝸殼區(qū)域設置為靜止坐標系，計算收斂精度設置為1.00×10-5，網格節(jié)點之間的匹配方式設置為GGI模式[13]。

2 外特性預測及實驗驗證

為獲得余熱排出泵水力樣機的性能，對其進行外特性試驗，進而對比試驗值和計算值之間的誤差，驗證所采用數值計算方法的正確性和準確性。本次試驗在江蘇大學流體機械研究中心實驗室開式試驗臺上進行性，試驗方法參照GB/T 3216—2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》的相關規(guī)定。試驗裝置簡圖如圖5所示，試驗滿足2級精度要求。通過試驗獲得全流量范圍內泵揚程H和效率η的真實數據，將試驗結果與計算結果進行對比，如圖6所示。

1-入口閥；2-進口壓力傳感器；3-水力樣機；4-彈性聯軸器；5-電機；6-出口壓力傳感器；7-渦輪流量計；8-出口閥圖5 試驗臺裝置簡圖Fig.5 Schematic of the pump test system

圖6 水力性能對比Fig.6 Comparison of hydraulic performance

從圖6中可以看出：數值計算得到的性能曲線和試驗測得的性能曲線的變化趨勢一致；小流量工況下，計算效率值與試驗效率值吻合較好；隨著流量的增大，計算揚程值與試驗揚程值吻合較好；揚程的最大誤差為4.453%，效率的最大誤差為4.735%，揚程誤差和效率誤差均小于5%，因此，本次所采用的數值計算方法能夠較準確地預測余熱排出泵的外特性，具有較高的可信度。

2.1 葉輪內部流場分析

圖7為不同流量工況下葉輪中截面速度流線圖。可以看出，不同流量工況下，葉片背面的流速均大于工作面。大流量(1.2Qd)和設計流量工況下，葉輪各流道內的流動較規(guī)律，流體的相對速度基本沿葉片型線方向，只有部分流道內有輕微的脫流現象。隨著流量的減小，葉片背面流動分離加劇，當流量減小至0.6Qd時流道內開始形成失速旋渦，并在葉輪出口產生與葉輪旋轉方向相反的軸向漩渦，隨著流量的減小，旋渦數量逐漸增加，尺寸不斷增大，以至堵塞部分流道。當流量減小到0.4Qd時，多個流道同時出現了失速旋渦和軸向旋渦，且嚴重阻塞流道，在葉輪出口處具有明顯的射流-尾跡現象。

2.2 導葉內部流場分析

圖8中，從大流量和設計流量工況下導葉流道內速度分布規(guī)律基本一致，導葉進口無流動分離和回流現象產生，導葉部分流道的出口處存在分離渦；隨著流量的減小，導葉流道進口處的部分流體開始偏離主流方向，導葉各流道出口的流動分離不斷加劇。當流量降低至0.6Qd時，導葉各流道進口均產生回流，且出口的分離旋渦尺寸擴大，當流量減小至0.4Qd，在流道的進口處產生了失速旋渦，且出口處的流動分離得到進一步的發(fā)展，使流線變得十分紊亂，嚴重阻塞了流道。

圖7 不同流量工況下葉輪中截面速度流線圖Fig.7 The streamline of velocity on the middle section of the impeller at different flow rates

圖8 不同流量工況下導葉中截面速度流線圖Fig.8 The streamline of velocity on the middle section of the diffuser of at different flow rates

通過對多個工況下葉輪及導葉內流動情況的分析可知，大流量下及設計流量下其內部流動較規(guī)律，隨著流量的減小，葉輪和導葉流道內相繼出現失速和流動分離等不穩(wěn)定流動現象，這些不穩(wěn)定流動現象容易引起泵性能下降、噪聲、振動等危害[14]，所以因盡量避免余熱排出泵在小流量工況下運行。

3 壓力脈動數值模擬與實驗研究

為研究余熱排出泵內的壓力脈動特性，在泵內中截面上設置了8個監(jiān)測點并進行非定常計算，為獲得較為穩(wěn)定的結果設置計算總時間為葉輪旋轉10個周期，并取最后一個周期內的數據作壓力脈動分析，監(jiān)測點分布情況如圖9(a)所示。重點對葉輪出口P3，導葉出口P6，及蝸殼出口P8分析并對P8處設計工況下的壓力脈動進行實驗驗證。試驗以清水為介質，由虛擬儀器采集系統(tǒng)獲得壓力脈動試驗數據，傳感器安裝位置如圖9(b)所示。

圖9 監(jiān)測點和壓力傳感器位置Fig.9 Location of monitoring points and pressure transmitter

為了直觀地反映壓力脈動的幅度，以便進行不同對象、不同位置間壓力脈動大小的比較，現引入壓力脈動系數這個參數，壓力脈動系數公式[15]為

(1)

為了分析葉輪內的壓力脈動特性，選取葉輪旋轉第10個周期內的壓力脈動數據進行頻譜分析，運用快速傅里葉變換(FFT)計算得到不同流量下各監(jiān)測點處處壓力脈動的頻域圖。葉輪的轉速為n=1 490 r/min，因此，定義葉輪的轉動頻率為fz=1 490/60 Hz=24.833 Hz，葉頻fb=124.165 Hz=5fz。

3.1 葉輪、導葉出口壓力脈動

圖10(a)表明，在4種不同流量下葉輪出口處壓力脈動的主要頻率均為7fz，等于導葉葉頻，這表明葉輪出口處監(jiān)測點的壓力脈動主要由轉頻決定，且受導葉的動靜干涉作用影響較大；隨著流量的減小，葉輪出口壓力脈動中的高頻成分逐漸減少，其脈動強度逐漸降低，而低頻脈動成分逐漸增多，其脈動強度也逐漸增強。

圖10(b)顯示，當流量降低至0.4Qd時，壓力脈動的主頻為2fz，其余三種不同流量工況下的主頻均為葉頻fb，這說明導葉出口處的壓力脈動主要由葉頻決定；大流量工況下，導葉出口處壓力脈動的次主頻為35fz，設計流量和0.6Qd工況下壓力脈動的次主頻為15fz；當流量降至0.4Qd時，次主頻則為葉頻fb。因此，導葉出口處壓力脈動的主頻隨流量的降低逐漸向低頻區(qū)靠近；同時隨著流量的減小，高頻壓力脈動成分逐漸減少，低頻壓力脈動強度逐漸增強，越偏離設計流量，壓力脈動強度越增強。

圖10 不同流量下葉輪、導葉出口壓力脈動頻域圖Fig.10 Frequency domain comparison at the outlet of impeller,diffuser under multi-conditions

在設計流量下葉輪與導葉出口點的壓力脈動系數幅值均達到最小，越往小流量點偏移，其幅值越大，說明余熱排出泵在設計流量下運行較安全，而在小流量工況下運行時，內部流動十分不穩(wěn)定，由此引發(fā)的高幅壓力脈動易對機組造成損壞。

3.2 蝸殼出口壓力脈動

為了驗證數值模擬的準確性，對設計流量下蝸殼出口P8的壓力脈動進行實驗對比，如圖11所示。實驗測得蝸殼出口管主頻頻率為5fz，由于采用頻率的原因模擬結果與實驗結果在高頻段稍有差別，但在低頻段兩者均采集得到了葉輪葉頻和轉頻處的頻率，結果基本吻合，說明蝸殼內的壓力脈動主要由葉頻決定。因此，在余熱排出泵結構設計時應注意分析水泵主要結構的固有模態(tài)是否與轉頻、葉頻成整數倍，并避免共振的發(fā)生。

圖11 蝸殼出口壓力脈動頻域圖Fig.11 Frequency domain of the monitoring point at the outlet of the volute

4 結 論

本文通過對余熱排出泵水力樣機的內部流動特性進行數值模擬和實驗研究得到以下結論：

(1)在大流量和設計流量工況下，葉輪和導葉內部流動比較穩(wěn)定，小流量工況下，葉輪和導葉流道內出現了失速旋渦和流動分離等不穩(wěn)定流動現象，隨著流量的減小，其不穩(wěn)定程度加劇，嚴重影響泵的性能。

(2)各流量工況下，葉輪出口壓力脈動主要由轉頻決定，為7fz，受導葉葉片數影響；蝸殼和導葉出口壓力脈動主頻為5fz，主要由葉頻決定。

(3)葉輪和導葉出口壓力脈動系數幅值隨流量的減小急劇增加，應避免泵在小流量工況下運行。

(4)壓力脈動的計算結果與實驗結果在基本吻合，證明本文的數值計算具有一定的可靠性。

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Numerical and experimental study on flow instabilities in residual heat removal pumps

LU Rong, YUAN Jianping, ZHU Yuwen, FU Yanxia, ZHOU Banglun

(National Research Center of Pumps，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In order to investigate the flow characteristics of residual heat removal pumps under multi conditions，three-dimensional unsteady numerical simulations were conducted by using the SST turbulence model in ANSYS CFX．The performance, inner flow fields, and pressure fluctuation of the residual heat removal pumps under multi conditions was obtained and compared with experimental results．The results show that：the inner flow keep regular under 1.2Qdand 1.0Qd．However，with the decrease of the flow rate，the stall vortex generates near the suction side at the impeller and diffuser inlet associated with the onset of varying degrees of flow separation in the flow channels，which is intensified toward the outlet．The main frequency of pressure fluctuation at the outlet of the impeller affected by the number of vanes is 7fz．The main frequencies at the outlet of both the diffuser and volute is 5fz，which are the blade passing frequency．The amplitudes of fluctuating pressure coefficient in all the monitoring points reach its minimum value under design condition，which increase gradually with the decrease of flow rate．It is concluded that the flow instabilities inside the pump occurs under small flow rate condition．

residual heat removal pump；pressure fluctuation；flow separation；numerical simulation；experiment

國家科技支撐計劃項目(2011BAF14B04)；國家自然科學基金資助項目(51349004)；江蘇高校自然科學研究項目(09KJB570001)

2015-07-14 修改稿收到日期：2015-12-01

陸榮 男，碩士生，1990年生

袁建平 男，研究員，博士生導師，1970年生

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.006