[发明专利]重金属轴流泵的多学科优化设计方法

说明书

本发明涉及重金属泵的优化设计，公开了在极限高温工况下运行的轴流式重金属泵的多学科优化设计方法。本发明是基于流体力学、材料力学、结构力学和热力学四个学科，通过对设计方案的多学科评估，在保证泵水力性能优于设计指标和气蚀性能良好的情况下，使泵的安全特性最佳。本发明将重金属轴流泵的优化设计流程模块化，分为水力设计模块、结构造型优化模块、CFD计算模块、流固热耦合模块和系统优化模块五大模块，其中水力设计模块、结构造型优化模块、CFD计算模块、流固热耦合模块顺次相连，前一个模块的计算结果作为后一个模块计算的初始条件，而CFD计算模块和流固热耦合模块计算结果作为系统优化模块的输入，在系统优化模块的数学模型进行迭代寻优。

技术领域

本发明涉及重金属泵的优化设计，具体是一种太阳能热发电系统或核电站系统中使用的在极限高温工况下运行的轴流式重金属泵的多学科优化设计方法。

背景技术

近百年来，随着社会、经济、科技的快速发展，人类对能源的需求与日俱增，能源已经成为促进人类社会和经济发展的必要条件。然而随着化石能源的储量减少、环境问题的日益凸显，开发新能源和可再生能源已成为当前的热点问题。可再生能源如太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等，太阳能是目前被众多科学家推崇有可能大规模取代传统化石能源的潜力能源，为推动我国太阳能发电产业的发展，2015年9月国家能源局颁布第355号文件，决定扩大太阳能热发电产业规模，组织一批太阳能热发电示范项目建设，我国太阳能热发电产业迎来新的发展机遇。太阳能热发电技术通过聚集太阳光聚焦所产生的热能，通过流体介质传递热能，最终推动发电机发电，太阳能热发电的效率较高，且可以通过热量的存储，保证晚上继续发电，可见太阳能热发电的核心技术就是如何保证流体高效的热量传递以及蓄热系统设计与制造。

目前国外已经运行的光热发电系统传热工质主要采用水/水蒸汽、导热油和熔盐：其中水/水蒸汽经济方便、可直接带动汽轮机运转，省去了中间换热环节，但由于高温下水发生汽化，工质的循环系统必须采用闭式系统，且系统压力高达20MPa以上；导热油流动性好、凝固点低、传热性能好，但其使用寿命短、易泄露、易着火、有污染；而熔盐传热无相变、传热均匀、系统压力低、安全可靠，但是其高温下易发生分解，温度范围窄，在240℃左右会发生结晶，且结晶不易消除，一旦发生将出现大面积冻管，整个系统报废。可见传统传热工质都有不同的缺点，技术上存在难以突破的瓶颈，限制了光热发电的发展。而液态金属(重金属)具有流动性能好、传热能力强、热物性稳定、使用温度高且温度范围广(140℃～1000+℃)、传热和储热系统不需要保持高压等一些列优点，消除了集热塔流体介质过热管路超压或集热装置内热爆炸的可能性，使整个光热系统设计简化。

然而目前国内外对重金属泵的研究非常少，关于重金属泵的公开的文献资料几乎没有。本发明主要是提供一种基于流体力学、材料力学、结构力学和热力学四个学科的重金属轴流泵的多学科优化设计方法，通过采用先进的CFD技术和有限元分析技术以及建立的多学科优化的数学模型对重金属轴流泵的主要过流部件进行设计与优化。

发明内容

本发明的目的：提供一种基于流体力学、材料力学、结构力学和热力学四个学科的重金属轴流泵多学科优化设计方法，通过对设计方案的多学科评估，在保证泵的水力性能优于设计指标且气蚀性能良好的情况下，使泵的安全特性最佳。

为实现上述目的，本发明是重金属轴流泵的多学科优化设计方法，重金属轴流泵工作在高温的极限工况下，输送介质为高温液态金属，其主要过流部件由吸入室、叶轮、导叶和扩散管四部分组成，采用多学科优化方法，将重金属轴流泵的优化设计流程模块化，分为水力设计模块、结构造型优化模块、CFD计算模块、流固热耦合模块和系统优化模块五大模块，

其中，所述水力设计模块是采用理论与经验相结合的方式对重金属轴流泵的叶轮进行水力设计；

所述结构造型优化模块是较为系统的建立重金属轴流泵的三维几何模型群并优化；

所述CFD计算模块是采用大型CFD技术对重金属轴流泵的模型群进行数值计算分析；