ALIP电磁泵三维瞬态磁流耦合模拟与不稳定流动机理研究
作者单位：江苏大学
学位级别：硕士
导师姓名：赵睿杰
授予年度：2019年
学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学]
摘 要：钠冷却快中子反应堆(钠冷快堆)作为第四代核电系统的发展堆型之一,其采用高比热、导热性能佳的液态金属钠作为冷却剂。对于输送液态导电金属,圆柱式线性感应电磁泵(Annular linear induction pump,ALIP)具有传统叶片式泵无法比拟的优势:没有叶片、轴等旋转部件,显著简化了密封装置,可实现泵内钠液的完全密封,避免了钠液泄露问题。ALIP电磁泵机械振动小,噪音较低,能在高温液态金属环境下长时间运行,非常适用于像核电系统这类需要长期安全可靠运行的场合,是钠冷快堆冷却回路系统的理想泵型。然而,目前单个ALIP泵难以满足反应堆流量需求;同时,随着泵尺寸的增大,泵内越容易出现不稳定流动现象,严重影响其效率。因此,研究泵内不稳定流动的产生机理并提出增强稳定性的方法是设计大型ALIP电磁泵急需解决的问题。本文以俄罗斯***研究所的ALIP-2实验泵为对象进行建模研究,从电磁场Maxwell方程组和流场纳维-斯托克斯方程(N-S)入手,以速度和洛伦兹力两个量为纽带,建立磁流耦合控制方程。采用有限元软件COMSOL,通过修改底层公式和添加电流连续性方程等,建立ALIP电磁泵三维瞬态磁流耦合模型。首先,建立一个整体式外定子模型,将数值模拟结果与前人试验数据对比,验证该三维瞬态磁流耦合模型的正确性。接着,建立分离式外定子模型,观察到泵内出现流动分离、回流、涡旋等非稳态流动,并发现磁流体的类开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象。最后,以N-S方程为基础,从受力角度,分析解释不稳定流动现象出现的原因。主要成果如下:(1)通过将整体式外定子验证模型的结果与前人试验、二维模拟的数据进行对比表明,该三维验证模型与试验的吻合度优于二维模型,并且不同工况下的磁感应强度模拟值均在实验测量值范围内,由此验证本文三维瞬态磁流耦合模型的正确性。同时准确地模拟出双倍频压力脉动(DSF)、端部效应和哈特曼流动等ALIP电磁泵显著特性。流场在径向分布上,流道内侧的速度总是大于外侧速度,流量越小,内外侧的速度差距越大。在整体式外定子的结构下,虽然Q=2.0 m/min严重偏离额定工况,速度在径向上分布差异明显,但是没有出现不稳定流动。(2)建立分离式外定子的ALIP三维瞬态耦合模型,详细分析了小流量工况Q=3.4m/min(Rm·s=1.89)下的不稳定流动现象。不稳定流动区域集中在空气侧流道的后半部分,涡旋总是对称地出现,且最先在流道外管壁处产生,同时向流道内侧和轴向运动,最后在空气侧流道的出口出现了类似波浪的流体摆动。通过综合分析各个工况下泵内的流动现象,发现4.0 m/min是出现涡流的临界流量;各个工况下空气侧流道内的钠液速度都是在不断减小,而定子侧流道速度则在增加,并且两侧的速度差距会随着流量的减小而增大;流道径向内侧的速度总是大于外侧的速度,同时随着流量的减小,速度在流道径向的分布差距也会进一步加大。(3)通过分析N-S方程右边压力梯度项、剪切力项和洛伦兹力项以及三者之和的分布特点,从圆周面和子午面角度分别揭示不稳定流动产生的机理。因分离式外定子模型结构的影响,导致各个工况流道内的磁感应强度和洛伦兹力在周向和径向上的分布差异较大。在圆周面上,空气侧流道的洛伦兹力小于定子侧流道的值,为了平衡空气侧较小的洛伦兹力,液体只能通过改变速度分布以产生速度梯度,从而增加自身的剪切力来补偿洛伦兹力。同时流量越小,空气侧与定子侧的洛伦兹力差距越大,因此小流量工况时,空气侧速度需降低到很小甚至是反向来满足力平衡,逆向流由此产生。当速度不均引起的液体切变大到一定程度时便会出现类开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象。在子午面上,因径向流道高度很小和管壁的影响,洛伦兹力在径向上的不均分布不足以产生很大的速度差距,但仍然使得流道外侧速度小于内侧速度。
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