空化過程對核主泵外特性變化的影響與分析

程效銳, 張舒研, 符 麗

(1. 蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050; 3. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

核主泵在穩(wěn)態(tài)工況下的運(yùn)行對一個完整的核電系統(tǒng)安全與輸送電能力至關(guān)重要.在一座核電站中，一回路中的某一管路運(yùn)行的失效乃至破裂都會引發(fā)失水事故以及由于核主泵的密封受損而導(dǎo)致的泄漏.與此同時，由二、三回路發(fā)生的運(yùn)行事故而導(dǎo)致的一回路溫度驟升以及核電站的斷電與啟閉等瞬態(tài)工況均會令核反應(yīng)堆冷卻劑產(chǎn)生水、氣兩相的狀態(tài)，即發(fā)生了相變.在相變狀態(tài)下，核主泵的性能會受到極大的影響，致使核主泵輸送冷卻液的能力大大降低.倘若處理的不及時，核主泵內(nèi)氣泡會產(chǎn)生堆積效應(yīng)，從而引發(fā)流道內(nèi)的堵塞以及誘發(fā)反應(yīng)堆過熱，這會對核主泵的性能與保證其安全運(yùn)行狀態(tài)造成惡劣的影響[1].因此,研究空化狀態(tài)下核主泵的內(nèi)部流場對其安全運(yùn)行極為重要.

近年來，諸多學(xué)者針對空化對泵的影響進(jìn)行了大量研究.鄧育軒等[2]應(yīng)用CFD軟件對一臺螺旋離心泵的空化特性進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析了螺旋離心泵內(nèi)部發(fā)生漩渦空化時的流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)葉頂間隙壓差和葉輪內(nèi)部壓力分布直接影響漩渦空化的發(fā)生及發(fā)展.Fu等[3]在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)空化條件下系統(tǒng)地研究了核主泵模型葉輪通道內(nèi)的流動特性.結(jié)果表明葉輪上徑向力的波動主要受轉(zhuǎn)子-定子相互作用的影響，但在發(fā)展的空化條件下受空化影響很大.Wang等[4]提出了兩相三分量的計算模型，成功精確地預(yù)測了空化發(fā)生時泵內(nèi)揚(yáng)程降低以及氣泡結(jié)構(gòu)，并表明空化對葉片壓力載荷有很大的影響，且這種影響主要發(fā)生在上游.王秀禮等[5-6]對不同空化工況下核主泵的水動力特性以及隱性汽蝕過渡過程中核主泵葉輪內(nèi)瞬變流動特性進(jìn)行了研究.Buono等[7]基于自回歸和移動平均(ARMA)方法分析并診斷了泵因空化而引起的性能故障.診斷結(jié)果證明了所提出的數(shù)學(xué)方法在識別空化現(xiàn)象方面的能力，證實了ARMA方法檢測泵空化故障的可靠性與準(zhǔn)確性.Liu等[8]利用小波分析方法提取了離心泵空化條件下聲發(fā)射信號的小波能量特征，并揭示了這些特征的變化規(guī)律.結(jié)果證實這些小波能量變化規(guī)律可以作為識別離心泵空化階段的技術(shù)參考.本文針對空化發(fā)展對核主泵內(nèi)部流場的影響進(jìn)行研究，采用ANSYS CFX對核主泵進(jìn)行全流場空化模擬，并得出空化發(fā)展對核主泵內(nèi)部流場的影響規(guī)律.

1 計算模型與網(wǎng)格

原型泵經(jīng)相似換算后模型泵主要技術(shù)參數(shù)見表1.其中主要的流動部件有混流式葉輪、環(huán)形蝸殼與徑向式導(dǎo)葉.采用縮比系數(shù)λ=0.4的模型泵，且保持縮比效果的前后轉(zhuǎn)速不變.采用Pro/E三維造型軟件對核泵模型泵的計算域進(jìn)行建模，計算域由出口段、壓水室、導(dǎo)葉、葉輪和進(jìn)口段共同組成.為了避免進(jìn)出口位置的速度梯度較大而影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對泵的進(jìn)、出口進(jìn)行適當(dāng)延長.三維模型如圖1所示.

表1 模型泵主要技術(shù)參數(shù)

采用自適應(yīng)性良好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分整個計算域，同時不斷調(diào)整網(wǎng)格的單元精度并找出質(zhì)量較差的網(wǎng)格區(qū)域，消除流體域中尖銳頂角，降低網(wǎng)格的扭曲率，以便提高計算精度.對葉輪和導(dǎo)葉流道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密處理，并對計算網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查，如圖2所示.從圖2能夠看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于590萬時，核主泵效率變化小于0.3%.最終確定模型泵網(wǎng)格總數(shù)約為590萬，葉輪、導(dǎo)葉和壓水室的網(wǎng)格數(shù)分別為190萬、152萬和150萬，如圖3所示.

2 數(shù)值計算方法及邊界條件

2.1 控制方程及空化模型

本文采用雷諾時均Navier-Stokes方程對復(fù)雜流動區(qū)域進(jìn)行求解，假設(shè)流體為不可壓縮黏性湍流流體，控制方程如下：

(1)

空化模型采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型，該模型以均質(zhì)多相模型和Rayleigh-Plesset方程考慮氣泡的生長與潰滅，進(jìn)而模擬空化流動[9].在相變過程中，蒸氣的體積分?jǐn)?shù)之所以增大的原因是由于蒸氣核部位的密度不斷減小.因此在質(zhì)量空化率方程中修正蒸氣體積分?jǐn)?shù)項，用αruc(1-αv)代替凝聚方程中的αv.該模型中蒸發(fā)相和凝結(jié)相分別為

式中：p、pv分別為液體的壓力與飽和蒸汽壓力；αruc為空化核體積濃度，αruc=5×10-4；Fvap為蒸發(fā)系數(shù)，F(xiàn)vap=50；Fcond為凝結(jié)系數(shù)，F(xiàn)cond=0.01；二者不相等的原因是因為蒸發(fā)過程一般比凝結(jié)過程快得多.

同時指出：Zwart-Gerber-Belamri空化模型比起其余的空化模型有著更好的魯棒性，也更加的穩(wěn)定，更容易收斂,且能夠觀測到明顯的空化運(yùn)動.

2.2 邊界條件與求解控制

本文應(yīng)用ANSYS CFX軟件對核泵模型泵進(jìn)行全三維定?？栈M.湍流模型選用考慮旋轉(zhuǎn)和曲率影響的RNGk-模型[10].水在常溫(20 ℃)下的飽和蒸汽壓力為2 338 Pa[11]，空泡平均直徑為2×10-6m，表面張力為0.071 7 N/m.過流部件間的耦合面一般選用interface面，并采取Frozen Rotor(凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型)交界面，從而實現(xiàn)導(dǎo)葉與葉輪之間的動靜耦合，并利用None交界面處理出水流道與導(dǎo)葉間流動參數(shù)的傳遞.參考壓力值設(shè)為0，殘差精度設(shè)為10-5.

壁面是湍流與渦量產(chǎn)生的主要因素之一，對壁面的處理會明顯提高數(shù)值計算結(jié)果的精度.通?？栈l(fā)生在固壁附近，壁面處理的方法在一定程度上決定了空化流動模擬的準(zhǔn)確性與精度.本研究中，在固壁處采用無滑移邊界條件(no-slip condition)，并在近壁區(qū)使用可自動調(diào)節(jié)以達(dá)到數(shù)值計算適用要求的可伸縮壁面函數(shù)(scalable wall function).該壁面函數(shù)放松了對近壁面第一層網(wǎng)格的限制；同時可以避免在離壁面的距離y*<15時使得計算結(jié)果惡化，且對于任意細(xì)化的網(wǎng)格，湍流壁面函數(shù)能夠給出一致的解.當(dāng)y*>11時，該壁面函數(shù)的表現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)一致.邊界條件采用總壓進(jìn)口和質(zhì)量流量出口.泵內(nèi)部空化的產(chǎn)生通過逐步降低泵進(jìn)口總壓來實現(xiàn)，質(zhì)量流量出口能夠保證泵在設(shè)計工況下運(yùn)行.整個流場在計算初態(tài)汽相體積分?jǐn)?shù)為0.

3 計算結(jié)果與分析

3.1 試驗驗證

將模型泵的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證數(shù)值計算的可靠性.所用測試試驗臺為修正后的四象限試驗臺，試驗裝置如圖4所示.

圖5為模型泵揚(yáng)程、效率計算值與試驗值對比.圖中qV為體積流量，qV，d為模型泵設(shè)計流量.從圖5可以看出，數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好.核泵模型泵設(shè)計工況點的揚(yáng)程模擬值為17.8 m，試驗值為17.3 m，兩者相對誤差為2.9%；設(shè)計工況點效率模擬值為84.4%，試驗值為82.5%，兩者相對誤差為2.23%.當(dāng)在不同的流量工況時，揚(yáng)程和效率的計算誤差稍微變大，但二者的相對誤差都低于7.5%.特別是在小流量工況下，揚(yáng)程的模擬值略大于真實的實驗結(jié)果，這是因為湍流模型對小流量下模型泵內(nèi)部復(fù)雜流場表現(xiàn)得不夠精確.縱觀整個流量范圍，揚(yáng)程和效率的模擬值與實驗值在趨勢上具有一定的一致性，但由于在數(shù)值計算的邊界條件設(shè)置中較理想化且沒有考慮各個壁面的粗糙度，加上僅計算了水力損失，并沒有考慮泵的摩擦損失與容積泄漏等原因，因此揚(yáng)程和效率稍高.

圖6為核主泵空化模擬與試驗結(jié)果，ha為有效空化余量.由圖6可知，空化過程的數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合且變化趨勢一致.該泵設(shè)計要求必需汽蝕余量為8 m，試驗所得必需汽蝕余量為5.2 m，數(shù)值計算結(jié)果為4.87 m，兩者均小于設(shè)計要求，其相對誤差為6.3%，在可接受的范圍內(nèi).

基于本研究只是針對設(shè)計工況下空化對核主泵內(nèi)部流場的影響進(jìn)行探討，綜合水力性能試驗和空化試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)對模型的誤差分析可知，數(shù)值模擬可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測泵的外特性且適用于本項研究.

3.2 核主泵空化特性曲線預(yù)測

通常以裝置空化余量與揚(yáng)程的關(guān)系曲線(ha-H)來描述泵的空化性能.以泵揚(yáng)程下降3%時裝置空化余量為泵的臨界空化余量，即泵的必需空化余量[12].在泵空化外特性試驗測量中，有效空化余量定義為泵進(jìn)口斷面流體能量與飽和蒸汽壓力之差[13]：

(4)

式中：pin為泵進(jìn)口壓力，Pa；vin為泵進(jìn)口處的平均速度，m/s；pv為飽和蒸汽壓.

在試驗驗證了數(shù)值計算的可靠性基礎(chǔ)之上，本文將葉輪空化分為以下幾種工況(見圖6):ha=16.11 m時，泵內(nèi)未發(fā)生空化，為正常工況狀態(tài)；ha=9.98 m時，泵揚(yáng)程下降0.4%，為空化初生狀態(tài)；ha=5.89 m時，泵揚(yáng)程下降1.2%，為空化發(fā)展?fàn)顟B(tài)；ha=4.87 m時，泵揚(yáng)程下降3%，為臨界空化狀態(tài)；ha=4.36 m時，泵揚(yáng)程下降8.7%，為空化嚴(yán)重階段；ha=4.26 m時，泵揚(yáng)程下降13.5%，為空化斷裂狀態(tài).由于核主泵在實際運(yùn)行過程中不允許發(fā)生空化，因此本文主要針對臨界空化點之前的空化狀態(tài)，主要研究ha為9.98、7.93、5.89、4.87 m 時泵內(nèi)部的流動.

3.3 空化流動對核主泵性能影響

3.3.1空化流動對核主泵外特性影響

通過數(shù)值模擬獲得泵進(jìn)、出口壓力、葉輪扭矩后，對空化狀態(tài)下泵揚(yáng)程、效率以及功率下降進(jìn)行對比分析.

泵的揚(yáng)程:

(5)

式中：pout為泵出口壓力，Pa；pin為泵進(jìn)口壓力，Pa.

泵的功率:

P=Mω

(6)

式中：M為作用于葉輪葉片上的轉(zhuǎn)矩，N·m；ω為葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s.

泵的效率:

(7)

圖7為不同空化狀態(tài)下泵的性能曲線.從圖7可知，隨著空化程度的加劇，泵揚(yáng)程、效率及功率變化趨勢基本相同.在空化初生和發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，泵揚(yáng)程和效率略有下降，功率幾乎不變.在臨界空化狀態(tài)下，即ha=4.87 m時，泵揚(yáng)程下降3%，效率下降2.3%，功率下降1.3%；在空化嚴(yán)重狀態(tài)下，泵揚(yáng)程、效率及功率都出現(xiàn)陡降趨勢.可見，核主泵發(fā)生空化時，其揚(yáng)程、效率和功率對有效空化余量降低的敏感程度不同.隨著空化程度的加劇，揚(yáng)程下降最快，效率次之，功率下降最慢.

3.3.2空化流動對過流部件性能影響

葉輪效率、導(dǎo)葉與壓水室損失計算方法如下：

葉輪揚(yáng)程：

(8)

式中：pimp,out、pimp,in分別為葉輪的進(jìn)、出口壓力，Pa.

葉輪效率:

(9)

式中：M為作用于葉輪葉片上的轉(zhuǎn)矩，N·m；ω為葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s.

導(dǎo)葉損失:

(10)

壓水室損失：

(11)

式中：pyss,out、pyss,in分別為壓水室及導(dǎo)葉進(jìn)、出口截面上的總壓，Pa.

圖8為不同空化狀態(tài)下葉輪揚(yáng)程及效率曲線.由圖8可知，ha=4.87 m時，葉輪揚(yáng)程下降1%，效率并未下降；ha=4.36 m時，葉輪揚(yáng)程下降5.3%，效率下降2%.此后，葉輪揚(yáng)程及效率迅速下降，出現(xiàn)空化斷裂.可見，空化對葉輪揚(yáng)程的影響同樣大于對效率的影響.

由圖7和圖8中還可以看出，在計算整機(jī)和只計算葉輪兩種情況下，其揚(yáng)程及效率隨有效空化余量減小的變化趨勢基本相同.在空化初生狀態(tài)下，整機(jī)揚(yáng)程17.8 m，效率84.4%，葉輪揚(yáng)程19.9 m，效率94.4%.整機(jī)揚(yáng)程比葉輪揚(yáng)程低10.5%，整機(jī)效率比葉輪效率低10.6%.這是由環(huán)形壓水室和導(dǎo)葉造成的流動損失、葉輪進(jìn)口的沖擊損失以及進(jìn)出口管路造成的沿程損失和數(shù)值計算精度引起的.其中導(dǎo)葉和壓水室損失為1.84 m，占總損失的87.6%.可見，導(dǎo)葉及壓水室中的流動損失是導(dǎo)致整機(jī)揚(yáng)程及效率低于葉輪的主要原因.

在有效空化余量ha=4.87 m時，泵揚(yáng)程下降3%，效率下降2.3%；葉輪揚(yáng)程下降1%，效率并未下降.這種下降差異主要是由環(huán)形壓水室及導(dǎo)葉內(nèi)損失造成的.

圖9為不同空化狀態(tài)下導(dǎo)葉及壓水室損失.由圖9可知，隨著空化程度的加劇導(dǎo)葉內(nèi)損失呈現(xiàn)先增大后減小趨勢.在空化初生與發(fā)展?fàn)顟B(tài)下導(dǎo)葉內(nèi)損失變化很??；在臨界空化狀態(tài)下導(dǎo)葉內(nèi)損失增大且出現(xiàn)極大值；空化臨界狀態(tài)之后隨著空化程度的加劇導(dǎo)葉內(nèi)損失逐漸減小.壓水室內(nèi)損失在空化初生與發(fā)展?fàn)顟B(tài)下變化很??；在臨界空化狀態(tài)具有極小值；在臨界空化之后呈現(xiàn)先增大后減小趨勢.隨著空化程度的加劇，壓水室與導(dǎo)葉整體損失呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.在空化斷裂狀態(tài)下，即ha=4.26 m時出現(xiàn)最大值；在臨界空化狀態(tài)下，即ha=4.87 m時具有極小值.導(dǎo)葉及壓水室內(nèi)損失變化主要是由葉輪內(nèi)空化干擾下游流場造成的.由于在臨界空化之前，導(dǎo)葉與壓水室內(nèi)整體損失變化較小，因此不對壓水室與導(dǎo)葉展開說明，本文主要分析葉輪內(nèi)流場分布規(guī)律.

3.4 核主泵葉輪內(nèi)部空化發(fā)展規(guī)律

圖10為核主泵在空化定常計算中，葉片上氣泡體積率在不同空化狀態(tài)下的分布，氣泡表面定義為氣泡體積率為10%的等值面.核主泵葉輪內(nèi)壓力隨進(jìn)口壓力的逐漸降低而降低.當(dāng)葉輪內(nèi)局部壓力低于液體的飽和蒸汽壓時便發(fā)生空化，產(chǎn)生氣泡.此時氣泡主要集中在葉片吸力面靠近前蓋板處，如圖10a所示，葉輪內(nèi)發(fā)生空化區(qū)域十分小，對流道內(nèi)的流體流動影響可以忽略不計，同時泵性能幾乎無變化，為空化初生狀態(tài).當(dāng)有效空化余量繼續(xù)下降，葉輪內(nèi)空化過程繼續(xù)發(fā)展，葉片吸力面被空化的面積增大，氣泡沿著葉片表面緩慢地向葉輪出口位置及后蓋板側(cè)延伸，并在流道內(nèi)壁面靠近吸力面的一側(cè)堆積，如圖10b和圖10c所示，此時為空化發(fā)展?fàn)顟B(tài).當(dāng)空化過程持續(xù)進(jìn)行時，葉片吸力面前蓋板位置的氣泡能夠延伸擴(kuò)散至葉片中部，后蓋板側(cè)氣泡的面積也逐漸增大，葉片吸力面上的氣泡堆積程度加劇，如圖10d所示，此時空化的發(fā)展已對葉輪內(nèi)能量交換產(chǎn)生影響，使泵性能下降，為臨界空化狀態(tài).在此之后，吸力面氣泡進(jìn)一步堆積同時與壓力面的氣泡相連并堵塞流道，使得泵性能大幅降低，如圖10e所示，此時為空化嚴(yán)重狀態(tài).在空化過程的末期，葉輪流道內(nèi)堆滿大量氣泡，造成嚴(yán)重堵塞并導(dǎo)致過流面積受限，影響流體正常流動，出現(xiàn)空化斷裂，如圖10f所示.上述過程與圖6中的ha-H關(guān)系曲線對應(yīng).由圖10還可以看出，葉片上氣泡分布不均勻，但不均勻度較低，并且隨空化程度的加劇葉輪內(nèi)氣泡分布不均勻度逐漸降低.

3.5 空化狀態(tài)下核主泵葉輪內(nèi)流動特性

3.5.1空化狀態(tài)下核主泵葉輪內(nèi)壓力分析

圖11為不同空化狀態(tài)下葉輪過流斷面上壓力沿流道方向變化曲線.橫坐標(biāo)為葉輪進(jìn)口到出口流道中線的相對長度，用S表示，其中0代表葉輪進(jìn)口，1代表葉輪出口.縱坐標(biāo)為葉輪在不同半徑處過流斷面上壓力的平均值.

由圖11a可知，流體進(jìn)入葉輪后其總壓呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，符合葉輪做功原理.在葉輪進(jìn)口處總壓變化緩慢，這是由于核主泵葉片進(jìn)口邊不在同一軸面上造成的.在葉輪流道相對位置S=0.2處總壓具有最小值，這是因為此處流體才開始接觸葉片，葉片對流體做功.在流道相對位置S=0.4處，流體只受到25%左右葉片入口區(qū)域作用，所以在相對位置S=0.2～0.4處，其總壓增大非常緩慢.在流道相對位置S=0.6處，幾乎整個葉片入口區(qū)域開始對流體做功，因此在相對位置S=0.4～0.6處，其總壓變化率逐漸增大.在流道相對位置S=0.6～1.0處，總壓變化率先增大后減小，說明從葉片進(jìn)口到出口，其對流體做功能力先增大后減小.不同空化工況下，總壓曲線變化趨勢基本相同.隨著有效空化余量減小，葉輪流道內(nèi)總壓值逐漸減小.在空化初生和發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，沿流道總壓變化趨相同.在臨界空化狀態(tài)下，流道相對位置S=0.5附近，總壓變化率明顯減?。涣鞯老鄬ξ恢肧=0.7附近，總壓變化率明顯增大.這種隨著空化程度加劇，葉輪流道內(nèi)總壓變化差異主要是由氣泡對葉輪流道的排擠作用造成的.在空化初生和發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，氣泡只在葉輪流道局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生和潰滅，對流道排擠作用不明顯，不會對泵揚(yáng)程及效率產(chǎn)生明顯影響.在臨界空化狀態(tài)下，氣泡數(shù)量大幅增加，葉片吸力面氣泡堆積程度加劇，對流道排擠作用明顯增大.此時在空化區(qū)域，由于氣泡的排擠作用，使得過流斷面面積減小，從而導(dǎo)致壓力變化減小；在空化區(qū)域末端，即S=0.7附近，由于氣泡潰滅，使得過流斷面面積突然增大，從而導(dǎo)致壓力變化增大.

由圖11b可知，不同空化狀態(tài)下，靜壓曲線變化趨勢基本相同，均在流道相對位置S=0～0.2處，靜壓逐漸增大；在流道相對位置S=0.2～0.4處，靜壓先減小后增大,在流道相對位置S=0.3處具有最小值；在流道相對位置S=0.4～1.0處，靜壓逐漸增大，靜壓變化率先增大后減小.靜壓沿流道在葉輪進(jìn)口處的這種變化規(guī)律是由核主泵葉片進(jìn)口邊不在同一軸面引起的.隨著有效空化余量的減小，葉輪流道內(nèi)靜壓值逐漸減小.靜壓變化趨勢和總壓類似，均在空化初生和發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，沿流道靜壓變化趨勢相同；在臨界空化狀態(tài)下，流道相對位置S=0.5附近，靜壓變化率明顯減??；流道相對位置S=0.7附近，靜壓變化率明顯增大.這也是由空化產(chǎn)生的氣泡對流道排擠作用引起的.

由圖11c可知，不同空化工況下，動壓曲線變化趨勢基本相同，均在流道相對位置S=0～0.2處動壓逐漸減小，在S=0.2處具有最小值；在流道相對位置S=0.2～0.4處動壓逐漸增大，其變化率逐漸減?。辉诹鞯老鄬ξ恢肧=0.4～1.0處動壓先增大，在靠近葉片出口處又減小.動壓沿流道在葉輪進(jìn)口處的這種變化規(guī)律也是由核主泵葉片進(jìn)口邊不在同一軸面引起的.隨著空化程度的加劇，葉輪流道內(nèi)動壓值幾乎相同.在空化初生和發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，其動壓值不變.在臨界空化狀態(tài)下，流道相對位置S=0～0.6處動壓值略有增大，這是由于在空化區(qū)域，氣泡排擠流道，使得流速增大引起的.在流道相對位置S=0.7附近，動壓值明顯增大，這是因為在空化區(qū)域末端，即S=0.7附近，氣泡突然潰滅，液體以高速填充空穴引起的.氣泡潰滅導(dǎo)致過流斷面面積增大，在流道相對位置S=0.8附近流速又恢復(fù)至無空化時的速度.在葉片出口處，動壓增大是由于氣泡潰滅導(dǎo)致液體流動角發(fā)生變化引起的.

3.5.2空化狀態(tài)下核主泵葉輪流道內(nèi)湍流耗散率分析

圖12為不同空化狀態(tài)下葉輪過流斷面上湍流耗散率沿流道方向變化曲線.橫坐標(biāo)為葉輪進(jìn)口到出口流道中線的相對長度，縱坐標(biāo)為葉輪不同半徑處過流斷面上湍流耗散率的平均值.湍流耗散率是指在分子黏性作用下由湍流動能轉(zhuǎn)換為分子熱運(yùn)動動能的速率[14].

由圖12可知，沿流道方向葉輪內(nèi)湍流耗散率整體呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢.隨著空化程度的加劇，葉輪內(nèi)湍流耗散率變化較大.在葉輪流道相對位置S=0～0.3附近以及葉輪出口處湍流耗散率隨空化程度的加劇變化極小.在流道相對位置S=0.3～1.0附近，隨著空化程度的加劇湍流耗散率逐漸減小，且減小區(qū)域向葉輪出口靠近.這是由于隨著空化程度的加劇，氣泡區(qū)域增大并向葉輪出口延伸，而氣泡的動力黏度比水小很多，從而使得湍流耗散率降低.

4 結(jié)論

1) 核主泵發(fā)生空化時，有效空化余量隨之降低，但泵的外特性對其敏感程度不同.隨著空化程度的發(fā)展，揚(yáng)程下降最快，功率下降最慢.

2) 在空化狀態(tài)下，由空化產(chǎn)生的氣泡對葉輪流道產(chǎn)生排擠作用，使過流斷面面積減小，流體相對速度增大.

3) 核主泵發(fā)生空化時，氣泡的產(chǎn)生改變了空化區(qū)域流體狀態(tài)，使流體動力黏度減小，導(dǎo)致空化區(qū)域湍流耗散率減小，降低了湍流耗散損失.