通过源项分解和模态分解方法，对管道配置对CAP1400反应堆冷却剂泵核心部件水力性能的影响进行定量分析

《Energy》：Quantitative Analysis of Piping Configuration Effects on the Hydraulic Performance of the CAP1400 Reactor Coolant Pump’s core components via Source Term and Modal Decomposition Methods

基于源项法的核岛主回路系统三维数值模拟与CAP1400反应堆 coolant泵性能分析表明，管系配置使泵效率下降2.64%，能量损失增加，流动分离与回流加剧。研究提出SPOD方法解析叶轮前缘与叶片出口区能量损失机制，验证了管系耦合效应对泵性能的影响路径。

　　

郭振阳|向 Xiaxia|卢业明|王晓芳|王伟军

大连理工大学能源与动力工程学院，中国大连 116000

摘要

CAP1400 型被动压水反应堆单元是中国开发的同类设施中最大的第三代核电站。为了阐明核岛一次回路系统中的管道和关键设备对 CAP1400 反应堆冷却泵（RCP）运行特性的影响，本研究基于源项方法建立了一种三维数值模拟方法来模拟核岛的一次回路。通过引入源项和多孔介质模型来简化蒸汽发生器和反应堆压力容器，有效缓解了大规模核岛全回路模拟的计算瓶颈，从而在计算效率和精度之间取得了平衡。研究对比了两种运行模式下关键 RCP 组件的液压性能、压力波动、液压激励力、熵产生分布和 SPOD 模态信息：独立运行（RCP-I）和在管道配置系统中的运行（RCP-C）。研究结果表明：（1）采用源项和多孔介质方法成功模拟了核岛一次回路，获得了高精度结果，并与实验数据吻合良好。（2）与独立运行条件相比，管道配置系统中的 RCP 压头略有增加（0.21 米）；然而，其效率显著下降（2.64%），同时内部能量损失也有所增加。（3）熵产生分析显示，能量损失的显著增加主要来源于叶片区域和入口区域，分别增加了 77.0% 和 55.4%。（4）进一步检查 SPOD 模态表明，管道配置在叶轮前缘过早引起了流动分离，并加剧了叶片出口区域的回流，这是泵整体性能下降和内部能量损失增加的主要原因。本研究有望为大规模核岛的模拟和评估提供技术支持。

引言

在可持续发展和“双碳”目标的背景下，核能发挥着至关重要的作用，建立安全、低碳和高效的核能发电系统至关重要。CAP1400 型被动压水反应堆（PWR）单元是中国开发的同类设施中最大的第三代核电站，其技术指标达到国际先进水平。与西屋公司在美国开发的 AP1000 最先进型号相比，CAP1400 的运行功率从 1000 MW 提高到了 1400 MW。同时，由于国产化，CAP1400 反应堆冷却泵（RCP）的流量从 17886 m3/h 增加到 21642 m3/h，转速从 1750 r/min 调整到 1485 r/min。国内研究团队完成了 CAP1400 RCP 的研发任务，并对单个 RCP 组件的最佳设计和性能进行了深入研究。Wang 等人[1]应用了中轴变换理论来提高 RCP 叶轮的性能并减少轴向推力。Lu 等人[2][3]和 Guo 等人[4]提出了最佳设计技术，以评估转子叶片和定子叶片对 RCP 关键性能因素的影响。Ye 等人[5]研究了导向叶片角度变化对 RCP 性能特性的影响。Wang 等人[6]研究了 RCP 叶轮在高温高压环境下的温度和压力分布。Zhou 等人[7]比较了不同错开叶片的效果，发现错开叶片可以显著降低叶轮通过频率下的压力脉动幅度。

通过多个机构的共同努力，CAP1400 的研发已基本完成。然而，关于外部影响因素（如蒸汽发生器（SG）、反应堆压力容器（RPV）和管道系统）的研究仍然相对不足；分析外部因素如何影响 RCP 性能是一个新兴的研究焦点。

在一次回路系统中，RCP 与管道、SG 和 RPV 紧密连接，形成一个封闭的循环系统。每种设备都有独特的特性和功能，它们在运行过程中相互影响[8]，从而可能导致相互干扰。忽略运行环境的影响会在结果中引入一定的不准确性。许多学者对进气畸变的影响进行了深入研究。Zheng 等人[9]分析了非均匀进气条件下 RCP 内部的流动复杂性，并比较了 RCP 的压力脉动特性和流动稳定性。Shi 等人[10]发现非均匀进气显著影响轴向流泵的外部特性、径向载荷和压力脉动。Lu 等人[11][12]发现非均匀进气对 RCP 的压头、功率和效率有显著影响。Wang 等人[13]证明 SG 通道压头在 RCP 入口处引起非均匀旋流，破坏了流动对称性并增加了叶片疲劳的风险。Shi 等人[14]发现管道系统引起的非均匀进气显著增强了叶轮尾流区域的涡脱落，这不仅导致额外的能量损失，还引起了叶片振动。进气畸变和管道的耦合效应导致 RCP 内部流动不均匀，从而引起压力脉动、振动、噪音等问题[15]，甚至影响泵的液压性能和服务寿命。然而，仅考虑进气条件变化的影响显然是不够的，对其他设备影响的研究仍不完整。核岛系统的特点是多设备耦合和特殊的封闭循环运行模式，而现有研究缺乏能够完全复制该系统的方法。

此外，为了研究影响 RCP 性能的潜在机制，近年来许多学者引入了数据驱动的模态分析方法。Ye 等人[16]使用降阶变分模态分解（RVMD）揭示了瞬态启动过程中的流动演变模式。Lu 等人[17]将 SPOD 应用于离心泵空化流场的分析，并提供了气泡破裂与高频噪声之间相关性的模态级证据。Jiang 等人[18]验证了 SPOD 在捕捉多尺度流动特征方面的优势。Chen 等人[19]利用 SPOD 明确了叶片通过频率与涡结构之间的对应关系。其中，谱适当正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition）因其独特的频率域特征提取优势而受到广泛关注。

总之，现有的 RCP 研究主要集中在单个 RCP 组件的性能上，而忽略了 RCP 在 PWR 循环系统实际运行环境下的性能差异，以及对核岛中多个组件联合运行下 RCP 组件性能特性的研究不足。因此，本研究将全面考虑环境因素的影响，并研究管道配置对 RCP 在实际运行条件下的整体性能的影响。

以在设计条件下运行的孤立 CAP1400 RCP 液压模型和集成在 PWR 一次回路管道配置中的 CAP1400 RCP 作为研究对象，本研究基于源项方法构建了一种全回路架构计算方法，详细研究了实际运行环境中的管道配置对 RCP 性能系数的影响。值得注意的是，Guo 等人[8][11]通过简化 SG 几何形状建立了 CAP1400 一次回路的计算框架。虽然这些工作验证了系统级计算的可行性，但它们仅限于宏观性能验证。尚未严格分解管道框架如何改变泵内部流动结构和熵产生的具体机制。在已建立的回路平台基础上，本研究旨在弥合宏观系统响应和微观流动演变之间的差距。

本研究的主要内容包括：第一部分介绍研究背景和意义；第二部分详细阐述目标模型和数值模拟方法的具体细节；第三部分对比分析了目标 RCP 的外部特性和关键流场特征；第四部分探讨了在管道配置影响下关键液压组件（叶轮和叶片）的模态变化；第五部分总结了研究内容并提出了主要结论。

部分摘录

数值模型

在本文中，为求解 CAP1400 RCP 和一次回路管道配置的内部流动和传热性能，采用了 Navier-Stokes 控制方程，这些方程涉及求解流体的质量、动量和能量守恒方程。

• (1)
  质量守恒方程

$$

尽管核岛中的实际冷却剂含有硼酸，但相关研究表明，淡水和水硼酸溶液对其影响几乎没有差异

RCP 外部特性的比较分析

对两种 RCP 模型进行了外部特性的模拟和比较分析：一种独立运行（RCP-I），另一种在管道配置下运行（RCP-C），如表 8 所示。可以看出，与 RCP-I 相比，RCP-C 的压头较高但效率较低，表明 RCP-C 的流动损失更大。

在传统的 RCP 设计和性能研究中，通常采用 RCP-I 类型模型，仅关注泵本身。

基于谱适当正交分解方法的机理分析

在分析了 RCP 在两种不同运行环境下的运行特性后，可以观察到管道配置干扰了 RCP 的流动，进而导致脉动特性和能量损失的一系列变化。为了揭示这些效应的影响机制和发展过程，我们引入了 SPOD 方法来分解和研究核心液压组件的流场。

结论

为了研究核岛一次回路系统中关键组件对 CAP1400 RCP 运行的影响，本研究采用了三维数值模拟方法对核岛全回路进行了模拟，利用了源项方法和简化的多孔介质模型。这解决了与大规模核岛循环回路相关的传统计算挑战。在此基础上，对性能进行了比较分析

CRediT 作者贡献声明

卢业明：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。向 Xiaxia：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，调查，正式分析。郭振阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。王伟军：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源。

未引用的参考文献

[21]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金（编号：52475241、U2541267）、中央高校基本科研业务费（编号：DUT25LAB110、DUT24LK008）以及辽宁省科技厅的应用基础研究计划（编号：2023JH2/101600031）的支持。