聶小棋, 葉學(xué)民, 李達(dá)然, 曹祐群, 張瑩瑩

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003;2. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 北京 100095)

核電站循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)水池結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

聶小棋1,2, 葉學(xué)民1, 李達(dá)然2, 曹祐群2, 張瑩瑩1

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003;2. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 北京 100095)

通過(guò)控制變量的方法，對(duì)某核電站進(jìn)水池?cái)M定的結(jié)構(gòu)參數(shù)大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并通過(guò)數(shù)值模擬方法得出并推薦了進(jìn)水池主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選取范圍，從數(shù)值模擬的角度證實(shí)了該進(jìn)水池?cái)M定結(jié)構(gòu)參數(shù)大小的合理性。

核電站； 進(jìn)水池; 結(jié)構(gòu)參數(shù); 數(shù)值模擬

核電站循環(huán)水系統(tǒng)的進(jìn)水池是泵房前池與循環(huán)水泵進(jìn)口之間的銜接部分，其作用是平穩(wěn)地過(guò)渡前池水流使之均勻擴(kuò)散，為水泵提供良好的進(jìn)水流態(tài)。循環(huán)水泵能否高效運(yùn)行很大程度上取決于進(jìn)入其中的水流流態(tài)。

當(dāng)泵房前池的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合理時(shí)，池內(nèi)水流容易發(fā)生紊亂，進(jìn)而影響水泵正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成水泵振動(dòng)甚至停機(jī)[1]。范淑琴等[2]通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不良的進(jìn)水流態(tài)能降低水泵效率4%～16%；邱靜等[3]針對(duì)水泵機(jī)組不規(guī)律的振動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)前池水流進(jìn)行了深入的觀察研究，指出池中渦旋是引起機(jī)組不規(guī)則振動(dòng)的主要原因；丁天壽[4]通過(guò)試驗(yàn)研究，認(rèn)為前池流態(tài)紊亂是水泵效率降低的主要因素；Deeny等[5-6]指出進(jìn)水池內(nèi)的漩渦是影響水泵安全運(yùn)行的主要因素；Akalank等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)池內(nèi)吸氣漩渦含氣量達(dá)到1%時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響水泵的運(yùn)行效率；日本工程協(xié)會(huì)[8]、美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)[9]等依據(jù)大量的試驗(yàn)給出了進(jìn)水池重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的參考范圍，但這些設(shè)計(jì)參數(shù)范圍有較大的出入，原因可能在實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用的場(chǎng)合有差異。

核電站的循環(huán)水量比一般火電機(jī)組要大，因此進(jìn)水池中水流流態(tài)相比火電站進(jìn)水池也會(huì)更加復(fù)雜。國(guó)內(nèi)對(duì)核電站進(jìn)水池方面的研究比較少，吉紅香等[10]通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水池工況好壞直接影響到水泵的運(yùn)行效率，指出規(guī)劃良好進(jìn)水池結(jié)構(gòu)的必要性；王保田[11]在某核電站一期工程循環(huán)水泵進(jìn)水流道模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在水泵吸水口處加裝底面椎體能有效阻止水中渦，確保水泵的安全高效運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)核電站進(jìn)水池?cái)?shù)值模擬方面的研究較少，許多文獻(xiàn)通過(guò)數(shù)值軟件對(duì)進(jìn)水池在其他場(chǎng)合的應(yīng)用進(jìn)行了模擬并得出相關(guān)結(jié)論，但這些結(jié)論往往由于應(yīng)用場(chǎng)合以及試驗(yàn)條件的差異，不能完全應(yīng)用于核電站進(jìn)水池。因此，筆者采用數(shù)值模擬方法對(duì)某核電站的進(jìn)水池進(jìn)行全三維定常流場(chǎng)計(jì)算，探討該進(jìn)水池的結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)水流量的不同對(duì)池中水流流態(tài)造成的影響，著重觀察進(jìn)水流道入口處的流態(tài)是否均勻，同時(shí)得出最佳的進(jìn)水池結(jié)構(gòu)參數(shù)的參考范圍，為實(shí)際試驗(yàn)提供依據(jù)和參考。

1 核電站循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)水池主要參數(shù)

進(jìn)入水泵的水流一部分從喇叭管前部進(jìn)入水泵，還有一部分從喇叭管的兩側(cè)及后側(cè)進(jìn)入水泵。理想的進(jìn)水流場(chǎng)是各個(gè)方向進(jìn)入水泵的水流流量應(yīng)盡可能相等，因此進(jìn)水池結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定要以此為原則。

該核電站進(jìn)水池為開敞式矩形結(jié)構(gòu)形式，見圖1。

圖1 進(jìn)水池示意圖

進(jìn)水池主要參數(shù)為：池長(zhǎng)L=5.75D、池寬B=3.62D、懸空高H=0.65D、后壁距E=0.68D及淹沒深度h(吸水管直徑D=2.8 m，進(jìn)水池的各個(gè)幾何參數(shù)大小以D作為基準(zhǔn)參照表示)。進(jìn)水池的水泵采用金屬混流泵，循環(huán)水量Q=20.42 m3/s，水池水深8.7 m。進(jìn)水池入口處有一小段擴(kuò)散部分，擴(kuò)散段長(zhǎng)度1.8 m，擴(kuò)散角29°。進(jìn)水池入口高3.3 m，寬8 m。數(shù)值模擬將以該核電站進(jìn)水池結(jié)構(gòu)參數(shù)為參照，通過(guò)控制變量的方法改變進(jìn)水池幾個(gè)主要參數(shù)，然后進(jìn)行多次模擬，以期得出最佳水池結(jié)構(gòu)參數(shù)的參考范圍，同時(shí)驗(yàn)證該核電站進(jìn)水池結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

2 進(jìn)水池的數(shù)值建模

計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壁面函數(shù)采用非平衡壁面函數(shù)，并應(yīng)用Simplec算法，離散精度取為二階迎風(fēng)格式。模型進(jìn)口給定為速度進(jìn)口邊界，速度方向垂直于進(jìn)口界面。由于吸水管長(zhǎng)相比管徑足夠大，可以認(rèn)定吸水管出口斷面處流動(dòng)是充分發(fā)展的，故出口采用自由出流邊界條件。進(jìn)水池表面為自由表面，忽略液面與空氣之間的切應(yīng)力以及熱交換，對(duì)液面采用剛蓋假定，即自由表面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。不同區(qū)域的交界面上定義interface使絕對(duì)流動(dòng)速度連續(xù)，因而實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域交界面上流體能自由貫穿。

網(wǎng)格劃分采用分塊網(wǎng)格技術(shù)，根據(jù)該進(jìn)水池不同部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)邊界結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單獨(dú)劃分網(wǎng)格，部分區(qū)域，如吸水管采用cooper方式劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。吸水管壁面處受到流體的黏性作用，速度梯度較大，為捕捉壁面處的流動(dòng)特征，在吸水管壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格。

網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證時(shí)，每個(gè)模型網(wǎng)格劃分的全局最大尺寸為0.15 m，吸水管邊界層第一層網(wǎng)格高度為1 mm，邊界層網(wǎng)格層數(shù)為20層，每層網(wǎng)格增長(zhǎng)因子為1.2。以池長(zhǎng)L=5.75D、池寬B=3.5D、懸空高H=0.5D、后壁距E=1D為例，此時(shí)模型網(wǎng)格數(shù)為291萬(wàn)。另取模型網(wǎng)格全局最大尺寸為0.1 m，邊界層網(wǎng)格參數(shù)不變，網(wǎng)格數(shù)340萬(wàn)，此時(shí)精度和前者相差不多，但是計(jì)算時(shí)間會(huì)增加。由于291萬(wàn)的網(wǎng)格可以同時(shí)滿足計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度的要求，故模型網(wǎng)格全局最大尺寸選取為0.15 m是合適的?；诖嗽谶M(jìn)行模擬時(shí)，對(duì)進(jìn)水池結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行變動(dòng)后，每個(gè)模型全局最大尺寸都取為0.15 m，邊界層網(wǎng)格參數(shù)不變選取如上，能滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。

3 水力性能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

為了定量對(duì)進(jìn)水池參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立如下目標(biāo)函數(shù)：

(1) 速度均勻度Vu最大的目標(biāo)函數(shù)。

進(jìn)水池流態(tài)對(duì)水泵葉輪的影響主要體現(xiàn)在水泵葉輪前，進(jìn)水?dāng)嗝嫣幍牧魉俜植?，進(jìn)水流速分布是否均勻會(huì)影響到水泵的運(yùn)行性能。均勻度越高，葉輪前進(jìn)口斷面處的均勻性就越好，水泵運(yùn)行性能自然也會(huì)更佳。

(1)

(2) 水力損失hw最小的目標(biāo)函數(shù)。

在考慮進(jìn)水池最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，水力損失是很重要的參考指標(biāo)，根據(jù)伯努利方程引入水力損失量hw的概念，建立進(jìn)水池入口斷面和吸水管進(jìn)口斷面處的水力損失量目標(biāo)函數(shù)。

hw=E2-E1=

(2)

4 數(shù)值結(jié)果及分析

4.1池寬影響

采用4種不同池寬的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，每個(gè)方案中進(jìn)水池主要參數(shù)見表1。

表1 池寬數(shù)值模擬方案

圖2為池寬對(duì)斷面均勻度的影響，圖3為池寬與水力損失量的關(guān)系。

圖2 池寬對(duì)斷面均勻度的影響

圖3 池寬與水力損失量的關(guān)系

從圖2可以看出：當(dāng)池寬為1.5D時(shí)，泵入口斷面處均勻度最差；當(dāng)池寬為4.5D時(shí)，斷面處均勻度最佳。隨著池寬的增加，泵入口斷面均勻度不斷增加，池寬從1.5D增加到4.5D，斷面均勻度提高了37.52%；但隨著池寬的不斷增加，斷面均勻度增加的幅度不斷減小，池寬從1.5D增加到2.5D，均勻度增加了23.5%，而池寬從2.5D增加到3.5D時(shí)，均勻度增加了8.06%。主要原因是當(dāng)池寬較小時(shí)，池中流速變大，進(jìn)入水泵的流速分布不均勻，同時(shí)過(guò)窄的池寬也會(huì)使得流向喇叭口的流線曲率增加，容易在喇叭口附近形成漩渦，使得吸水管進(jìn)口斷面流速分布不均勻。當(dāng)水池寬度變大時(shí)，流速降低，同時(shí)水池有更大的空間讓水流流向水泵時(shí)均勻平穩(wěn)過(guò)渡，因此水泵進(jìn)口斷面流速分布更加均勻。不過(guò)增大水池寬度的同時(shí)，會(huì)增加開挖工程量，提高工程成本。當(dāng)池寬過(guò)大時(shí)，水池壁面的導(dǎo)向作用也會(huì)變差，在池中容易形成偏流和回流，反而可能會(huì)惡化進(jìn)水條件。從圖3可以看出：隨著池寬的不斷增加，水力損失是不斷減小的?；谝陨戏治?，推薦進(jìn)水池池寬選取3D～4.5D。該核電站池寬擬選定為3.62D，在推薦范圍內(nèi)。

4.2池長(zhǎng)影響

采用4種不同池長(zhǎng)的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，每個(gè)方案中進(jìn)水池主要參數(shù)見表2。

表2 池長(zhǎng)數(shù)值模擬方案

圖4為池長(zhǎng)對(duì)斷面均勻度的影響，圖5為池長(zhǎng)與水力損失量的關(guān)系。

圖4 池長(zhǎng)對(duì)斷面均勻度的影響

圖5 池長(zhǎng)與水力損失量的關(guān)系

從圖4、圖5可以看出：當(dāng)池長(zhǎng)大于一定的程度，隨著池長(zhǎng)的增加，水泵進(jìn)水口斷面均勻度以及水力損失量變化均不明顯。因?yàn)槌亻L(zhǎng)增加到一定的長(zhǎng)度后，從進(jìn)水池進(jìn)口流入的水流有足夠的空間和時(shí)間均勻擴(kuò)散，平穩(wěn)過(guò)渡到水泵進(jìn)水口處，其斷面處均勻度較佳，不再明顯變化，水力損失量變化同理。此外增加水池長(zhǎng)度，會(huì)增加開挖工程量，提高工程成本。基于以上分析，推薦池長(zhǎng)為3.5D～6D。該核電站進(jìn)水池池長(zhǎng)擬選定為5.75D，在推薦范圍內(nèi)。

4.3后壁形狀影響

采用4種不同后壁形狀的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，每個(gè)方案中進(jìn)水池主要參數(shù)見表3。

表3 后壁形狀數(shù)值模擬方案

圖6為筆者模擬采用的進(jìn)水池4種不同形狀的后壁。

圖6 不同形狀后壁

表4為后壁形狀與均勻度、水力損失量的關(guān)系。

表4 后壁形狀與均勻度和水力損失量的關(guān)系

從表4可以看出：后壁形狀從矩形、梯形、半圓到W形，吸水管進(jìn)口端面的均勻度是不斷增加的，進(jìn)水池采用W形后壁時(shí)均勻度相比于矩形后壁提高了1.33%。因?yàn)榫匦魏蟊谶M(jìn)水池在后壁直角區(qū)域?yàn)榈退賲^(qū)，在該處容易形成回流，使水流流速分布不均勻，不利于水泵進(jìn)水口處的流態(tài)。梯形后壁形狀在矩形后壁的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改良，后壁處的回流區(qū)基本消失，對(duì)于改善流態(tài)起到了較好的效果。半圓后壁形狀的進(jìn)水池同樣避免了池中回流的產(chǎn)生，同時(shí)池中流體流線和后壁形狀也比較一致，因而該后壁有良好的整流效果，進(jìn)水口斷面處均勻度較高。對(duì)于W形后壁進(jìn)水池，后壁中間突出的壁面部分比較接近水泵進(jìn)水口，能有效改善進(jìn)入水泵的水流流態(tài)，抑制其漩渦和回流的產(chǎn)生，此外該形狀后壁和水流流線比較吻合，因此在所羅列的四種后壁形狀中，W形后壁具有最佳的整流效果，能使得進(jìn)水口斷面處的均勻度最佳。

從表4可以看出：矩形后壁進(jìn)水池水力損失量最大，W形后壁進(jìn)水池水力損失最小，梯形和半圓后壁進(jìn)水池水力損失量居中。W形后壁相比于矩形后壁水力損失量減少了13.9%。值得指出的是，半圓后壁進(jìn)水池水力損失量和矩形后壁進(jìn)水池水力損失量差不多，高于另外兩種后壁進(jìn)水池，原因在于半圓后壁進(jìn)水池由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)容易在后壁附近形成漩渦，其增加了水力損失量。W形后壁進(jìn)水池由于其較好的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及整流作用，使得水力損失量最小。

該核電站進(jìn)水池?cái)M采用的是矩形后壁，基于以上分析，進(jìn)水池后壁形狀建議采用W形后壁。

4.4后壁距影響

采用4種不同后壁距的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，每個(gè)方案中進(jìn)水池主要參數(shù)見表5。

表5 后壁距數(shù)值模擬方案

圖7為后壁距對(duì)斷面均勻度的影響，圖8為后壁距與水力損失量的關(guān)系。

圖7 后壁距對(duì)斷面均勻度的影響

圖8 后壁距與水力損失量的關(guān)系

從圖7、圖8可以看出：隨著水泵后壁距離增加，均勻度越高，即水泵進(jìn)水口斷面流速分布更加均勻，水力損失量呈逐漸下降趨勢(shì)。后壁距為1D相比較于后壁距為0.1D時(shí)，均勻度提高了2.89%，水力損失量降低了29.02%。原因在于當(dāng)后壁距離很小時(shí)，水流從前面和兩側(cè)進(jìn)入水泵的流量要更多，后側(cè)水流進(jìn)入得較少，此外水流沖擊后壁折返過(guò)程中，擴(kuò)散還未充分均勻就進(jìn)入了水泵，因此從水泵四周進(jìn)入吸水管的水流是不均勻的，同樣水力損失量也是最大的。當(dāng)后壁距增加時(shí)，水流從四周流入水泵更加趨于均勻，且沖擊后壁折返的水流有更大空間平穩(wěn)過(guò)渡到水泵進(jìn)水口處，因而流速分布更加均勻，水力損失量也越來(lái)越小，趨于定值。需要指出的是，當(dāng)后壁距過(guò)大，水流容易產(chǎn)生吸氣渦而影響水泵的正常運(yùn)行。

基于以上分析，推薦進(jìn)水池后壁距為0.3D～1D。該核電站進(jìn)水池后壁距擬定為0.68D，在推薦范圍內(nèi)。

4.5懸空高影響

采用4種不同懸空高的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，每個(gè)方案中進(jìn)水池主要參數(shù)見表6。

表6懸空高數(shù)值模擬方案

圖9為懸空高對(duì)斷面均勻度的影響，圖10為懸空高與水力損失量的關(guān)系。

圖9 懸空高對(duì)斷面均勻度的影響

圖10 懸空高與水力損失量的關(guān)系

懸空高能較大程度上影響進(jìn)水池中流態(tài)，從圖9、圖10可以看出：隨著懸空高的增加，進(jìn)水口斷面水流均勻度變化過(guò)程為先增加后減小，流體水力損失量則不斷減小，但是減小的幅度在隨之降低。懸空高為0.5D時(shí)，均勻度最大比懸空高為0.2D時(shí)增加13.59%，水力損失減少23.92%。懸空高為1.1D時(shí)，水力損失相比于0.8D減小15.69%。懸空高較低時(shí)，流向喇叭口的流線曲率增加，速度梯度變化大，容易在喇叭口附近形成漩渦，使得吸水管進(jìn)口斷面流速分布不均勻,水力損失也很大。懸空高過(guò)大時(shí)，一方面增加了土建工程量，另外容易在液面形成吸氣旋渦，使流態(tài)變差同時(shí)還能影響到水泵的正常運(yùn)行。

基于以上分析，推薦進(jìn)水池懸空高為0.5D～1D。該核電站進(jìn)水池懸空高擬定為0.65D，在推薦范圍內(nèi)。

4.6流量影響

采用4種不同流量的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，每個(gè)方案中進(jìn)水池主要參數(shù)見表7。

表7 流量數(shù)值模擬方案

為了加強(qiáng)對(duì)進(jìn)水池相關(guān)參數(shù)，引起水流流態(tài)變化的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)引入流量作為考察的變量。當(dāng)流量變化時(shí)，水泵進(jìn)水口斷面均勻度以及流體水力損失量結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 流量對(duì)斷面均勻度的影響

圖12 流量與水力損失量的關(guān)系

從圖11、圖12中可以看出：隨著流量不斷增加，均勻度逐漸減小，水力損失不斷增加，且水力損失量和流量近似于二次函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)進(jìn)入水池的流量不斷增加，水流流速也會(huì)隨之變大，使得池中的流態(tài)趨于復(fù)雜，池中更容易出現(xiàn)偏流、回流的不良流態(tài)，因此均勻度會(huì)下降，而水力損失量會(huì)增加。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)控制變量的方法，對(duì)某核電站進(jìn)水池?cái)M定的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并通過(guò)數(shù)值模擬方法得出并推薦了進(jìn)水池主要結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的選取范圍：池寬3D～4.5D，池長(zhǎng)3.5D～6D，后壁距0.3D～1D，懸空高0.5D～1D。

(2) 將某核電站進(jìn)水池?cái)M定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和筆者推薦參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)照，得出如下建議：將進(jìn)水池后壁形狀改為W形，其他參數(shù)大小不變。筆者從數(shù)值模擬的角度，證實(shí)了該進(jìn)水池結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的合理性，并提出了改進(jìn)措施。

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，所得到的結(jié)果可供同類場(chǎng)合參考。

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StructureOptimizationofaPumpSumpinCirculatingWaterSystemofNuclearPowerPlant

Nie Xiaoqi1,2, Ye Xuemin1, Li Daran2, Cao Youqun2, Zhang Yingying1

(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China)

By control variable method, an adjustment of simulated structural parameters was carried out for the pump sump of a nuclear power plant, after which some parameter ranges were recommended for the sump. Above structural parameters of the pump sump were proved to be rational by numerical simulation.

nuclear power plant; pump sump; structural parameter; numerical simulation

2017-03-03；

2017-03-18

聶小棋(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事流體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流體換熱研究。E-mail: 156583707@qq.com

TM623.4; TV 136. 2

A

1671-086X(2017)06-0420-06