采用隐式曲面优化过流部件形状及对核泵的应用

The design method of flow passage components is one of the key technologies of nuclear main pump. The design of flow passage components need to meet the demanding requirements of both hydraulic and hydrodynamic performances. The proposed project considers impeller, outlet guide vanes, spherical pressure water chamber as an integral whole. The general framework of free shape optimization for the performance of flow passage components is established based on the implicit discription of structural shape. The performance of the whole machine is designed by this method. The Level Set method is used to reconstruct the shape of fluid components which needs to meet the requirement of structural shape characteristic. The following respects are focused which include: (1) The representation method for complex surface of passage components and the mechanism of collaborative deformation between multi components; (2) the method of mesh generating and updating for the computation domain described by implicit surface; the method of sensitivity analysis for the complex flow with high Reynolds considering the treatment of rotor-stator interface; (3) The optimizatioin modelling and related high efficiency solver for hydrolic performance, axial force/radial force and off-design performance; (4) Validating the optimal result of flow passage component by experiment of hydraulic performance. Through the study of this project, we will provide a new design method for the performance design of flow passage components based on accurate CFD simulation and automatic optimization methods which will provide theoretical support to obtain excellent hydraulic model.

核主泵过流部件的设计方法是核主泵的关键技术之一。过流部件设计需要同时满足水力性能和水动力性能两方面的苛刻要求。本项目将叶轮、出口导叶、类球形压水室等过流部件看成一个整体，基于结构外形隐式描述方法，建立过流部件性能的自由形状优化的一般框架，进行整机性能优化设计。采用LevelSet水平集函数重构过流部件外形，并满足过流部件结构几何特征要求。重点研究：（1）过流部件复杂曲面的隐式函数表征方法及多部件间的协同变形机制；（2）隐式曲面描述的计算域网格自动生成和更新方法、考虑动静交界面处理的高雷诺数复杂流动灵敏度分析等关键技术；（3）建立考虑水力性能、轴向力/径向力以及变工况性能的优化模型和高效求解方法；（4）并对过流部件优化结果进行实验验证。通过本项目的研究，将提供基于CFD精确模拟和自动优化技术的过流部件优化设计的新方法，为获得优秀的水力模型提供理论支持。

泵是一种用途广泛的流体机械，提高其设计效率和可靠性对于企业运行节能和安全生产具有重要影响。核主泵是核电站重要动力设备，对其水力效率、安全性具有很高的要求。本项目研究目标是采用先进的结构优化方法进行核主泵的水力性能优化设计。本项目的主要工作包括：（1）发展高效的实验设计采样和优化方法，提高面向复杂工程问题的优化效果；（2）基于代理模型优化方法，研究核主泵水力性能优化和多工况鲁棒优化方法；（3）研究核主泵叶轮水环境对叶轮动力特性的影响，开展了叶轮湿模态实验研究，给出了叶轮流体阻尼和动应力计算方法。通过本项目研究，提出了多种面向工程复杂问题的代理模型和优化技术，具体包括：用于全局优化的自适应贝叶斯序列采样方法；基于不同基函数的最优加权组合径向基函数方法；基于直接优化的全局约束优化方法；面向全局代理模型的多响应自适应采样方法等。按照CAP1400核主泵水力设计要求，进行核主泵过流部件优化设计。基于传统的一维水力设计方法获得初始设计方案。对叶轮、扩压器等部件进行子午面、叶片的参数化建模，采用本项目提出的优化方法进行水力性能优化设计，水力效率优化结果达到行业领先水平。形成了一套基于一维设计结合三维全局优化的泵水力性能优化技术，具有较好的工程应用价值。流体机械的安全和可靠性也是重要的性能指标，高速旋转叶轮受到流体脉动压力作用，需要进行动应力计算和疲劳校核。泵叶轮浸没在水介质中，水环境对于叶轮的振动特性、阻尼影响很大，本项目采用数值模拟和实验研究，获得了叶轮的湿模态和流体阻尼特性，在此基础上，计算了叶轮在水动力荷载作用下的动应力，为核主泵叶轮可靠性校核提高了技术支撑。本项目在代理模型全局优化方法、泵水力性能优化设计和叶轮结构动力特性分析方面开展了较为深入的工作，相关研究成果整理发表了多篇SCI高质量期刊论文，研究成果可以为泵结构设计提供技术支撑。