矩形窄通道內(nèi)DRYOUT模型研究

周 磊，閆 曉，黃善仿，黃彥平，肖澤軍

（1.中核集團 核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041；2.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084）

臨界熱流密度（CHF）發(fā)生時，冷卻劑對流換熱系數(shù)減小、燃料元件壁溫升高，嚴(yán)重的可使燃料元件燒毀從而引起放射性泄漏。因此，準(zhǔn)確預(yù)測CHF對于反應(yīng)堆設(shè)計和安全分析具有重要的意義。通常認(rèn)為在環(huán)狀流區(qū)，CHF是由液膜的干涸引起，據(jù)此建立的CHF預(yù)測模型常稱為液膜干涸（DRYOUT）模型。由于環(huán)狀流型所對應(yīng)的含汽率范圍廣泛（約0.1～1.0），DRYOUT不僅對于沸水堆，而且對于壓水堆的安全分析及瞬態(tài)過程均具有很重要的意義。近年來，DRYOUT模型倍受重視［1－2］。

板型燃料元件結(jié)構(gòu)緊湊，有利于提高堆芯功率密度、減小堆芯體積，在一些研究堆、新型核動力堆和國外生產(chǎn)堆中已得到應(yīng)用。其冷卻劑流道是窄縫隙的矩形通道。矩形窄通道在一些電子設(shè)備的冷卻中也有重要應(yīng)用，因此相關(guān)熱工水力性質(zhì)已成為研究熱點［3］。

文獻(xiàn)中已有的DRYOUT模型主要是面向圓管常規(guī)通道開發(fā)的，對于矩形窄通道是否可用、性質(zhì)如何，缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)驗證。本文通過優(yōu)化DRYOUT模型中重要本構(gòu)關(guān)系式的組合、適當(dāng)選取模型中的沉積率和夾帶率等公式，以得到適用于矩形窄通道的DRYOUT模型。

1 流動結(jié)構(gòu)和控制方程

圖1為矩形窄通道中DRYOUT模型的示意圖。由于熱量的加入，沿流動方向含汽率逐步升高，當(dāng)達(dá)到某一轉(zhuǎn)變值xt時流型進(jìn)入環(huán)狀流；在環(huán)狀流區(qū)，蒸汽在通道中間流動形成汽芯，液體則一部分沿壁面形成液膜，一部分以夾帶液滴的形式存在于汽芯中。由于蒸發(fā)、液滴沉積及夾帶等過程的共同作用，液膜流量沿流向逐漸變小，液膜厚度逐漸變薄。對于通道均勻加熱的情況，若在通道出口處液膜厚度足夠小，此時的熱流密度即為臨界熱流密度。

圖1 環(huán)狀流區(qū)干涸模型示意圖Fig.1 Sketch of DRYOUT model in annular flow regime

取通道上長度為Δz的一段，液膜的連續(xù)性方程為：

其中：Wlf為液膜質(zhì)量流量，kg／s；me、md、mv分別為夾帶率、沉積率和蒸發(fā)率，kg／（m2·s）；ξi和ξh分別為汽芯和液膜的交界面周長和熱周，m；z為流動方向的坐標(biāo)，m。

對于圓管通道，熱周和界面周長相等，并可取為通道周長。而矩形通道熱周取決于具體加熱情況，而界面長度可近似取為通道周長。令Δz→0，即得Wlf滿足如下控制方程：

在DRYOUT模型中通常假設(shè)液膜的溫度近似為對應(yīng)壓力下的飽和溫度，加入的熱量全部用于液體蒸發(fā)，因此有：

其中：qw為壁面熱流密度，W／m2；hfg為汽化潛熱，J／kg。

因此，只要給定環(huán)狀流起始點和沉積率、夾帶率公式及相應(yīng)的本構(gòu)方程，通過式（2）即可求得任意位置處的液膜質(zhì)量流速，進(jìn)而通過迭代過程可求得在出口發(fā)生干涸時對應(yīng)的CHF。

2 本構(gòu)方程

2.1 環(huán)狀流起始點條件

對于環(huán)狀流起始點，文獻(xiàn)中發(fā)表了大量的判定關(guān)系式。敏感性計算表明，在DRYOUT模型中，當(dāng)加熱板長度較小或臨界含汽率較小時，環(huán)狀流起始點對CHF有顯著影響，因而環(huán)狀流起始點判據(jù)須慎重選取。本文選取著名的Mishima ＆ Hibiki關(guān)系式［4］作為判據(jù)：

其中：Jv為汽相表觀速度；σ為表面張力，N／m；ρv為汽相密度，kg／m3；Δρ為液相和汽相密度差，kg／m3；g為重力加速度，即9.81m／s2。

上式是專門針對矩形窄通道建立的。

無量綱粘度數(shù)Nμf定義如下：

其中：μf為液相粘度，Pa·s；ρf為液相密度，kg／m3。

王俊峰［5］通過流型可視化實驗證實矩形窄縫通道中環(huán)狀流存在且可用式（4）進(jìn)行較好預(yù)測。

2.2 沉積率和夾帶率關(guān)系式

敏感性計算表明，沉積率和夾帶率對液膜質(zhì)量流量或液膜厚度有著全程性的影響，因而對計算的CHF有顯著影響。但文獻(xiàn)中公開發(fā)表的沉積率、夾帶率關(guān)系式數(shù)量眾多。本文僅選取5組應(yīng)用廣泛的關(guān)系式進(jìn)行簡要介紹和比較，這5組關(guān)系式均是在大量的液滴沉積實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合得到的，有的還被用于已有的反應(yīng)堆熱工水力分析程序中，具有較好的通道適用性。

1）Wurtz－Sugawara關(guān)系式（case 1）

由Sugawara對Wurtz關(guān)系式進(jìn)行改進(jìn)得到，以便更好地體現(xiàn)壓力的影響，改進(jìn)后的公式在COBAR－TF子通道分析程序中得到應(yīng)用［6］：

其中：ug為汽相平均速度，m／s；τi為汽液界面摩擦應(yīng)力，N／m2。

其中：uf為液膜平均速度，m／s。系數(shù)k為：

其中：Reg為汽相雷諾數(shù)。

ks為等效沙粒粗糙度（無量綱），由實驗數(shù)據(jù)擬合得到：

式中：δ為液膜厚度，m。

液滴沉積率和液滴濃度成正比，即：

其中：C為液滴濃度，kg／m3；kd為沉積率系數(shù)，m／s，由下式計算：

其中：Sc為無量綱斯密特數(shù)。

汽芯中液滴濃度C定義如下：

式中：αd、αg分別為液滴和汽相的體積份額。

2）Govan關(guān)系式（case 2）

Govan等［7］直接對沉積和夾帶實驗數(shù)據(jù)進(jìn)

行擬合，得到：

其中：min表示取小值函數(shù)；D為通道等效直徑，m。

夾帶率為：

其中：Gg、Glf分別為汽相和液膜質(zhì)量流速，kg／（m2·s）。

臨界液膜質(zhì)量流速Glfc由下式給出：

3）Okawa ＆ Tsuyoshi關(guān)系式（case 3）

他們假設(shè)夾帶率和界面剪切應(yīng)力成正比，而和表面張力成反比，首先定義無量綱數(shù)π［8］：e

式中：fi為剪切應(yīng)力系數(shù)。

則夾帶率可表示為：

并且只有當(dāng)液膜雷諾數(shù)Relf足夠大時，才發(fā)生液滴的夾帶，即：

對于沉積率，Okawa和Tsuyoshi等的研究結(jié)論是高壓下Govan公式較好，而低壓下Sugawara公式更好，因此他們的沉積率關(guān)系式是二者的線性組合（對于Govan公式有少量修改以消除原公式的不連續(xù)性）：

權(quán)重w的大小取決于壓力以及含汽率的情況。

4）Kataoka ＆Ishii關(guān)系式（case 4）

Ishii ＆ Kataoka給出的沉積率關(guān)系式［9］如下：

其中：E為汽芯中夾帶液滴在全部液相質(zhì)量中的比重。

Ishii ＆Kataoka給出的夾帶率公式考慮了入口效應(yīng)等，因此結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，即：

E∞為平衡夾帶份額，按下式計算：

而夾帶Webber數(shù)定義為：

當(dāng)液膜雷諾數(shù)小于某臨界值時，夾帶不會發(fā)生，臨界液膜雷諾數(shù)為：

5）Okawa ＆ Kataoka關(guān)系式（case 5）

Okawa和 Kataoka［10］對沉積實驗數(shù)據(jù)分析后認(rèn)為，實驗數(shù)據(jù)難以使用統(tǒng)一的函數(shù)形式表達(dá)。當(dāng)液滴濃度較高時，沉積率系數(shù)可視為液滴濃度的函數(shù)，即：

式中：C＊為無量綱液滴濃度；k＊d為無量綱沉積率系數(shù)。

當(dāng)液滴濃度很低時，沉積系數(shù)是摩擦速度的函數(shù)：

uτ為摩擦速度，m／s，定義為：

其中：τw為壁面摩擦應(yīng)力，N／m2。夾帶率公式的擬合思路和Okawa ＆Tsuyoshi等相同，只是函數(shù)形式略有改變：

無量綱量πe1為：

臨界汽相表觀速度Jgc為：

若汽相表觀速度低于臨界值，則夾帶率為0。

2.3 沸騰夾帶率

上述沉積率和夾帶率公式均是根據(jù)絕熱等溫實驗數(shù)據(jù)擬合得到的，并未考慮汽化過程的影響。實際上對于有加熱的情況，汽泡不斷產(chǎn)生并進(jìn)入汽芯，也會形成液滴夾帶，因此對于有加熱的情況，總的夾帶率應(yīng)為：

meb為沸騰夾帶率，kg／（m2·s）。本文采用 Ueda公式［11］計算：

其中，液膜厚度可根據(jù)液膜質(zhì)量流量求得。

2.4 統(tǒng)計參量和評價實驗數(shù)據(jù)庫

由于缺乏矩形窄通道沉積率和夾帶率實驗數(shù)據(jù)，不能對上述關(guān)系式進(jìn)行直接評價。但可將這些關(guān)系式引入DRYOUT模型中，通過和CHF實驗數(shù)據(jù)的對比，得到最優(yōu)的DRYOUT模型。為此，收集準(zhǔn)備了矩形窄通道CHF實驗數(shù)據(jù)庫，參數(shù)范圍列于表1。表中DRYOUT數(shù)據(jù)是根據(jù)Mishima ＆Hibiki關(guān)系式［4］選出的。

按照習(xí)慣，定義如下統(tǒng)計參數(shù)。模型計算偏差CHFR，表示CHF模型計算值與實驗值之比：

模型平均偏差，即CHFR的平均值為：

標(biāo)準(zhǔn)偏差僅體現(xiàn)CHFR的分散程度，若CHFR分布散度很小但總體傾斜很大，結(jié)果仍不好，因此引入CHFR的分布帶寬BW：

其中，N表示樣本總數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

表1 矩形窄通道CHF實驗數(shù)據(jù)庫Table 1 Experimental database for CHF in narrow rectangular channel

3 模型開發(fā)結(jié)果

3.1 模型優(yōu)化過程

圖2、3示出了由5組沉積率和夾帶率關(guān)系式計算得到的CHFR的分布情況，本文僅給出CHFR隨質(zhì)量流速和含汽率的分布。表2列出了采用不同沉積率和夾帶率關(guān)系式計算結(jié)果的統(tǒng)計特征。

從圖2、3和表2可看出，case 1、4的計算結(jié)果總體上小于實驗值，模型平均偏差僅為0.863 和 0.895，CHFR 的 分 散 度 也 很 大。case 2的結(jié)果絕大部分分布在±20%之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差也較小，但從CHFR－xC的分布圖上看出，當(dāng)含汽率大于0.25時，模型計算結(jié)果偏大。case 5的結(jié)果分布趨勢和case 2相似，但分散度更大，且有更多點超出了20%偏差線。只有case 3，全部結(jié)果的精度在±20%以內(nèi)，且CHFR的分布帶寬BW小于0.3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.043，這 是 因 為 其 沉 積 率 公 式 是 Wurtz－Sugawara關(guān)系式和Govan關(guān)系式的線性組合，因此基本消除了case 2中CHF在高含汽率時偏大的現(xiàn)象，結(jié)果在5組關(guān)系式中最好。因此，Okawa ＆ Tsuyoshi關(guān)系式被用于本文的DRYOUT模型中。表3列出了本文DRYOUT模型最終采用的主要關(guān)系式。

3.2 與已有DRYOUT模型的比較

對于本文收集的實驗數(shù)據(jù)，同時采用Celata模型和Kataoka模型進(jìn)行了計算。計算結(jié)果的對比見表4和圖4?？煽闯?，Celata模型計算結(jié)果全部大于實驗值，總體偏大約30%。Kataoka模型雖引入了臨界液膜的概念，但計算結(jié)果總體上仍偏大，且含汽率較低時計算誤差更大，這是因為該模型采用了不同的環(huán)狀流起始點判據(jù)，含汽率低于0.2時基本超出了模型的推薦使用范圍。而本文模型對于全部實驗數(shù)據(jù)計算精度達(dá)到20%，且標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，性能明顯優(yōu)于已有模型。

圖2 Wurtz－Sugawara（a、d）、Govan（b、e）和 Okawa ＆ Tsuyoshi（c、f）關(guān)系式計算結(jié)果Fig.2 Caculation results of Wurtz－Sugawara（a，d），Govan（b，e）and Okawa ＆ Tsuyoshi（c，f）correlations

圖3 Kataoka ＆Ishii（a、c）和 Okawa ＆ Kataoka（b、d）關(guān)系式計算結(jié)果Fig.3 Caculation results of Kataoka ＆Ishii（a，c）and Okawa ＆ Kataoka（b，d）correlations

表2 不同關(guān)系式得到的DRYOUT模型統(tǒng)計量Table 2 Statistics of DRYOUT models by different correlations

表3 本文DRYOUT模型采用的主要關(guān)系式Table 3 Correlations adopted in optimized DRYOUT model

表4 本模型和已有模型結(jié)果統(tǒng)計量對比Table 4 Comparison of statistics of results by this model and existing models

圖4 各模型計算值對比Fig.4 Comparison of calculated results by different models

4 結(jié)論

矩形窄通道以其特有的熱工性能而獲得越來越多的關(guān)注。本文對DRYOUT型臨界熱流密度模型進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

1）已有的DRYOUT模型主要是面向圓管常規(guī)通道開發(fā)的，能否適用于矩形窄通道缺乏足夠的實驗支持；對于本文的實驗數(shù)據(jù)，已有模型計算結(jié)果總體偏高，從安全的角度考慮，已有DRYOUT模型不宜直接用于矩形窄通道CHF的預(yù)測計算。

2）通過匹配DRYOUT模型中重要中間量的計算和合理選取沉積率、夾帶率關(guān)系式，得到了對于矩形窄通道適用的優(yōu)化模型。模型計算結(jié)果明顯優(yōu)于已有模型，對本文全部實驗數(shù)據(jù)的計算精度在20%以內(nèi)，且主要系統(tǒng)參數(shù)對CHFR的分布無系統(tǒng)性影響，已用于相關(guān)的分析程序中。

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