流体泵免维修输送系统工业化应用关键技术研究

流体泵是一类利用压缩空气为动力的管道式输送装置，通过气液换能装置，依靠不同的流体元件组合实现流动换向控制，达到流体输送目的。由于该类装置不含运动部件，具备固有安全性和免维修性，故特别适于核后处理中乏燃料的输送。在核电规模高速发展的今天，我国流体泵工业应用还远落后于核电发达国家，相关基础研究必须尽快展开。课题拟针对3种典型流体泵型式，抽取流体设计中的共性问题，对元件单体仿真、系统配套、仿真优化及运行安全等关键技术展开研究。课题研究首先针对双喷射器、交变喷射器，逆向流体转换器（RFD）、正向流体转换器（FFD）等单体元件进行流动机理研究，其次基于元件组合拓扑关系，对不同冲程数的传能系统进行配套设计；第三，基于非定常流理论，研究建立流体泵系统仿真优化设计理论；最后，针对管道式输送系统中的汽蚀和水锤现象，提出装置运行范围和限制条件，并通过试验进行理论验证和完善，为我国流体泵的工业化应用打下基础。

流体泵利用流体作为驱动力进行危险流体的输送，由于不含运动部件而具有免维修特点，用于人体不宜近距离接触的场合。虽然流体泵系统结构简单，但由于流体传动系统设计变量多，工艺需求复杂，且流体动力元件（fluidic power device）对运行参数敏感，导致该项技术的工业化推广门槛较高，其中系列化设计问题是制约该项技术在我国核工业及相关领域推广的关键因素。项目从工业应用角度，需在相关设计理论及装置试验已渐趋成熟的基础上，通过系列化计算为工业设计提供型谱图，其次，开发较成熟的性能预测程序以逐步替代工业试验。另一方面，由于性能预测计算模型简化了脉冲周期过程，因此应研究三维VOF全模型仿真技术以弥补一维简化带来的误差。为此，课题针对3种典型流体泵型式进行了研究。首先，对RFD、FFD元件单体结构进行优化仿真，其次，利用仿真计算及系列化性能试验结果，对单冲程和双冲程系统各元件结构参数和运行参数进行配套设计，尤其对喷射器组结构参数的配套关系展开研究，对系统运行的稳定性至关重要，由此建立了简化的一维时均模型及求解步骤，可对系统性能进行初步预测；第三，针对系统效率、规模设计了基于遗传算法的优化模型和求解步骤，通过系列化设计制作工业设计型谱图，并根据介质物性参数对性能的影响规律，给出了不同介质性能换算方法；第四，基于数值仿真确定了系统优化运行范围及汽蚀防护极限运行范围，提出了RFD空化判别标准；第五，利用试验操作参数作为边界条件，基于VOF进行RFD非定常三维全模型数值仿真，采用UDF编辑RFD进口压力作为边界条件代入求解器，通过对系统分块变密度网格的设置缩短CPU占用时间，获得与试验一致的平均流量。基于上述研究内容，获得如下重要成果：基于遗传算法的RFD优化模型及其求解方法、RFD优化运行范围及空化极限参数的确定方法、RFD装置工业化设计型谱图及性能换算方法、RFD稳定运行中的压力自反馈控制系统。其科学意义在于，（1）为流体泵的工业应用提出了具有实用价值的RFD流体输送系统的设计理论和设计方法，计算结果得到试验验证，为RFD流体输送系统的工程应用奠定了坚实的技术基础；（2）所提出的RFD多参数总成配套规律和设计步骤，确定了影响RFD流体输送系统设计的关键因素，对系列化产品优化设计具有指导意义；（3）掌握了真空喷射器和压缩喷射器组合机理，解决了气体定向流动控制及动力能量稳定输入的难题。