基于代理模型的核泵水力性能优化设计研究

【摘要】：核泵作为核电站中的关键设备,主要为循环流动介质提供动力,其性能稳定性关系到核电站的运行安全。为了提高核泵过流部件运行过程中的稳定性和高效性,有必要对核泵结构进行性能优化研究。核一级泵通过叶片做功为冷却剂提供能量,克服在反应堆、蒸汽发生器以及管路中所产生的能量损耗,核二级泵是安全等级仅次于核一级泵的辅助设备。水力性能是水力机械设计的主要内容,主要包括效率、扬程、汽蚀以及偏工况下的运行稳定性。研究核泵过流部件的水力性能自动优化方法已成为现在研究的热点。针对核主泵叶轮和导叶以及核二级泵叶片前缘,提出基于Brizer曲线和叶片角变化规律的参数化方法,通过流场仿真软件进行水力性能分析。在Matlab软件中进行数据连接并执行整个优化过程。本文研究的主要内容为:(1)进行泵一维水力设计和参数化建模。通过速度系数法编写一维设计算法,在基本性能参数的基础上,实现主要几何参数的计算。构建关于核泵叶轮和导叶的参数化模型,由一系列基本结构参数实现过流部件的快速更新,也能避免参数的干涉影响。(2)核主泵单点和多点水力性能优化。在CFX中完成核主泵设计流量和偏流量工况的水力性能计算,提取效率、扬程等性能参数。约束计算扬程的上下限,并构造针对不同目标的两种优化方案,即设计流量下的效率以及多工况下的效率最小值,结合径向基代理模型和CORS-RBF优化算法对优化问题进行求解。(3)核二级泵汽蚀性能优化。构建叶片前缘精细的三维参数化模型,以前缘形状为研究对象,研究了在满足扬程要求下,实现针对核二级泵水力效率和汽蚀特性的多目标优化,基于RBF代理模型优化求解得到最优Pareto前沿。选取Pareto最优前沿上的2个特征解(效率最大和汽蚀最好),进行两相流计算。水力效率高于初始设计,汽蚀性能有了明显提升。