開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動特性實驗研究

郭雪晴 孫中寧 王建軍

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室 哈爾濱 150001）

自然循環(huán)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、固有安全性好等特點(diǎn)在先進(jìn)核反應(yīng)堆的主冷卻劑系統(tǒng)和一些安全系統(tǒng)設(shè)計中得到了應(yīng)用。自然循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)與環(huán)境的開放程度分為開式自然循環(huán)系統(tǒng)和閉式自然循環(huán)系統(tǒng)[1]。目前關(guān)于自然循環(huán)系統(tǒng)的研究都針對閉式自然循環(huán)系統(tǒng)，而對開式自然循環(huán)系統(tǒng)的研究很少。不過由于開式自然循環(huán)系統(tǒng)具有回路結(jié)構(gòu)簡化、系統(tǒng)壓力波動小等特點(diǎn)，已開始應(yīng)用于一些非能動安全系統(tǒng)的設(shè)計[2?3]。但目前對開式自然循環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)運(yùn)行行為，特別是其啟動特性認(rèn)識不足。另外，由于自然循環(huán)系統(tǒng)的流動特性對其結(jié)構(gòu)形式比較敏感，不能將閉式自然循環(huán)系統(tǒng)的研究經(jīng)驗[4?6]直接應(yīng)用到開式自然循環(huán)系統(tǒng)中，因此有必要對開式自然循環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)行為特性進(jìn)行詳細(xì)的研究。

本文主要對開式自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動特性進(jìn)行實驗研究，分析系統(tǒng)在啟動過程中出現(xiàn)的流動現(xiàn)象和發(fā)生機(jī)理，最后將這些流動不穩(wěn)定性進(jìn)行分類，并繪制系統(tǒng)啟動過程中流動不穩(wěn)定邊界圖。

1 實驗回路

開式自然循環(huán)系統(tǒng)實驗流程如圖1所示，P0?P4為壓力測點(diǎn)；T1?T6為溫度測點(diǎn)；F為流量測點(diǎn)，主要由冷凝罐、循環(huán)管路、水箱和測量儀表組成，其中循環(huán)管路包括加熱段、下降段和上升段，尺寸和布置如表1所示。在上升段中，管段11和12為可視化的有機(jī)玻璃管，其他管段均為不銹鋼管。有機(jī)玻璃管與不銹鋼管之間采用快速接頭連接，并用耐高溫膠進(jìn)行密封。換熱段由三根相同的傳熱管并列組成，內(nèi)外徑分別為34 mm和38 mm。上升段和下降段中除擴(kuò)張段16的直徑為145 mm外，其余管段直徑均為50 mm。水箱氣空間與大氣環(huán)境聯(lián)通，系統(tǒng)始終處于低壓運(yùn)行狀態(tài)。自然循環(huán)回路內(nèi)布置有若干個壓力和溫度測點(diǎn)，用于測量不同位置流體的壓力和溫度，以監(jiān)測閃蒸、沸騰等現(xiàn)象的發(fā)生。循環(huán)流量采用電磁流量計測量，測點(diǎn)位于下降段7上。

實驗回路采用純蒸汽加熱，由鍋爐提供。冷凝罐內(nèi)的蒸汽通過在換熱段9管外冷凝將熱量傳遞給自然循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部流體，形成密度差，從而驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)流動，將熱量導(dǎo)出。由于水箱直接與環(huán)境相通，因此當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生兩相循環(huán)流動時，從上升段 16流出的汽水混合物中的蒸汽部分將直接排放到環(huán)境中，而液體則依靠重力回落至水箱進(jìn)行再循環(huán)。為了使加熱段始終處于蒸汽環(huán)境中，需要在冷凝罐底部設(shè)置排水閥，適時地排放冷凝罐底部積累的凝結(jié)水。

圖1 開式自然循環(huán)系統(tǒng)實驗流程圖Fig.1 Experimental loop of the open natural circulation system.

表1 管段尺寸和傾斜角Table 1 Dimensions and inclined angles of the pipes.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗現(xiàn)象

在較低加熱功率條件下（冷凝罐蒸汽壓力pc為0.2 MPa），開式自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動過程隨入口過冷度(Dtsub)的減小會依次經(jīng)歷單相穩(wěn)定、兩相振蕩和兩相穩(wěn)定幾個不同的流動階段。其中在兩相振蕩階段，不同入口過冷度條件下系統(tǒng)表現(xiàn)出的流動模式也各不相同。

2.1.1 單相穩(wěn)定流動

在高入口過冷度條件下，自然循環(huán)系統(tǒng)始終處于單相流動狀態(tài)，回路中流體溫度的變化對驅(qū)動力影響很小，系統(tǒng)質(zhì)量流量穩(wěn)定維持在 0.38 kg·s?1，如圖2所示，圖2中ts_ p1為測點(diǎn)P1處壓力p1對應(yīng)的飽和溫度，t1為測點(diǎn)T1測得的流體溫度。

圖 2 單相流動參數(shù)變化(Dtsub=55.1 oC)Fig.2 Parameter evolutions of the single-phase flow(Dtsub=55.1 oC).

2.1.2 兩相振蕩流動

(1) 閃蒸誘發(fā)的流量振蕩

當(dāng)加熱段入口過冷度Dtsub減小到35.5 oC時，系統(tǒng)開始產(chǎn)生周期性流量振蕩，如圖3所示。從圖3中可以看出，測點(diǎn)T1、T2、T3處流體溫度t1、t2、t3均未達(dá)到當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟?，即加熱段和上升?0?14內(nèi)的流體始終處于單相流動狀態(tài)。為了確定系統(tǒng)是否發(fā)生兩相流動，利用測點(diǎn) P3、T3和 P0處的測量值對上升段 16出口處的質(zhì)量含氣率進(jìn)行估算(如圖3(b))。圖3中ts_ p1、ts_ p2和ts_ p3分別為測點(diǎn) P1、P2和P3處壓力p1、p2和 p3對應(yīng)的飽和溫度，t1、t2和t3分別為測點(diǎn)T1、T2和T3測得的流體溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該處流體出現(xiàn)周期性的汽化，說明此時流體在上升段間歇地發(fā)生了閃蒸現(xiàn)象，并且閃蒸起始點(diǎn)位于測點(diǎn)T3和上升段出口之間的區(qū)域。

圖 3 閃蒸引發(fā)的流量振蕩(Dtsub=35.5 oC)Fig.3 Flashing-induced flow oscillations (Dtsub=35.5 oC).

在一個振蕩周期開始時，系統(tǒng)處于單相流動狀態(tài)，質(zhì)量流量較小，傳熱管出口處流體溫度會升高，但仍然低于當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟?。?dāng)這部分熱流體進(jìn)入上升段時，隨著當(dāng)?shù)仂o壓的逐漸降低會誘發(fā)閃蒸現(xiàn)象。閃蒸產(chǎn)生的空泡使得上升管和下降管內(nèi)流體之間的密度差變大，系統(tǒng)驅(qū)動力增加，質(zhì)量流量隨之增大。但質(zhì)量流量的增加會造成自然循環(huán)系統(tǒng)帶走的熱量和傳熱管外通過凝結(jié)換熱供給的熱量之間的不匹配，反而使得加熱段出口處流體溫度降低，即使在進(jìn)入上升段后也無法達(dá)到當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟?，閃蒸現(xiàn)象逐漸消失，又回到單相流動狀態(tài)。在這個過程中，由于加熱段入口過冷度仍相對較大，因此發(fā)生閃蒸現(xiàn)象的程度并不劇烈，流量振蕩幅度也相對較小。

圖4 沸騰和閃蒸共同引發(fā)流量振蕩(Dtsub=26.1 oC)Fig.4 Flow oscillations induced by flashing and boiling (Dtsub=26.1 oC).

(2) 沸騰和閃蒸共同誘發(fā)的流量振蕩

隨著入口過冷度的繼續(xù)降低，流體在加熱段內(nèi)即可發(fā)生沸騰，加熱段內(nèi)產(chǎn)生的汽水混合物在流經(jīng)上升段的同時能夠誘發(fā)大規(guī)模的閃蒸，流動進(jìn)入沸騰噴發(fā)伴隨閃蒸引發(fā)周期性流量振蕩的模式，如圖4所示。

在低壓蒸汽加熱條件下，過冷度較低的流體進(jìn)入加熱段后幾乎不會產(chǎn)生壁面過冷沸騰，而是積累一定過熱度后在加熱段內(nèi)突然發(fā)生沸騰，迅速產(chǎn)生蒸汽并急劇膨脹。蒸汽受到加熱段空間的限制會形成局部高壓，將加熱段內(nèi)的流體向兩端推擠，使得下降段測得的流量小幅降低甚至出現(xiàn)負(fù)值（如圖4(a)所示），此時在水平可視化段11內(nèi)能觀察到大氣彈流過。從加熱段內(nèi)流出的汽水混合物在經(jīng)過上升段時由于重位壓頭的降低會誘發(fā)大量的閃蒸，汽水混合物產(chǎn)生的同時也會降低整個系統(tǒng)的壓力，從而誘發(fā)更大規(guī)模的閃蒸現(xiàn)象，系統(tǒng)質(zhì)量流量快速上升。加熱段出口處的流體溫度隨質(zhì)量流量的快速增加而急劇下降，沸騰過程結(jié)束，加熱段和上升段自下而上逐漸被單相液體填充，閃蒸過程也隨之減弱最后消失，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)小流量單相流動狀態(tài)。在閃蒸逐漸減弱的過程中，上升段內(nèi)各點(diǎn)的靜壓均逐漸回升，原本能在較低靜壓下發(fā)生閃蒸的流體此時變?yōu)閱蜗酄顟B(tài)，溫度會相應(yīng)升高（如t2）。而當(dāng)這部分流體繼續(xù)向上流動時，重位壓降的減小又使其重新發(fā)生程度較弱的閃蒸現(xiàn)象，因此從圖 4(a)中可以看到系統(tǒng)在經(jīng)過短時間的單相流動后流量會出現(xiàn)較小的峰值。

隨著入口過冷度的進(jìn)一步減小，流體更容易在加熱段內(nèi)發(fā)生沸騰現(xiàn)象，且程度更加劇烈，沸騰噴發(fā)對系統(tǒng)流動的影響程度變大。對比圖 4(a)和圖 5可知，入口過冷度的減小使振蕩周期逐漸變短，一個周期內(nèi)加熱段沸騰所占的時間份額增大，沸騰強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，沸騰噴發(fā)引起的下降段逆流流動加劇，圖4中出現(xiàn)的閃蒸引起的小幅流量振蕩消失。隨著加熱段入口過冷度的減小，單相孕育時間變短，當(dāng)入口過冷度為15.9 oC時，振蕩周期內(nèi)的單相流動過程消失。

圖5 較低過冷度時沸騰和閃蒸共同引發(fā)的流量振蕩Fig.5 Flow oscillations induced by flashing and boiling under lower inlet subcooling conditions.

2.1.3 兩相穩(wěn)定流動

由于開式自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動過程中兩相振蕩時間較短，水箱橫截面積很大，啟動過程中水箱內(nèi)的水位變化可以忽略，因此當(dāng)水箱溫度達(dá)到當(dāng)?shù)卮髿鈮合碌娘柡蜏囟葧r，流體的入口過冷度幾乎保持不變(Dtsub=12.1 oC)，系統(tǒng)進(jìn)入兩相穩(wěn)定流動階段，如圖6所示。在兩相穩(wěn)定流動過程中，系統(tǒng)質(zhì)量流量較大(1.36 kg·s?1)，加熱段出口處流體的溫度達(dá)不到當(dāng)?shù)貕毫?yīng)的飽和溫度而處于單相狀態(tài)。從圖6中可以看到，上升段中測點(diǎn)T2處的流體也沒有達(dá)到當(dāng)?shù)仫柡蜏囟?，而測點(diǎn)T3處流體溫度t3卻超過了當(dāng)?shù)仫柡蜏囟?，這說明閃蒸起始點(diǎn)位于上升段 15內(nèi)，并且發(fā)生閃蒸現(xiàn)象時流體處于過熱狀態(tài)。

圖6 兩相穩(wěn)定流動Fig.6 Stable two-phase flow.

2.2 流動不穩(wěn)定性分類

開式自然循環(huán)系統(tǒng)在啟動過程中產(chǎn)生的流量振蕩均是由加熱段沸騰或上升段閃蒸引起的系統(tǒng)流量、空泡份額和壓降之間的多重反饋造成的。在兩相自然循環(huán)系統(tǒng)中，密度波不穩(wěn)定性是最常的流動不穩(wěn)定。密度波的基本特征是流動振蕩周期(tfo)是流體流經(jīng)上升段所需時間(t)的 1.5?2 倍[6?7]，其中t可以通過上升段流道容積與平均體積流量的比獲得。圖7給出了流量振蕩周期tfo與t的關(guān)系，從圖7中看出，不論是閃蒸引起的流量振蕩還是沸騰和閃蒸共同誘發(fā)的流量振蕩，周期均在流體流過上升段所需時間的1.5?2倍之間，說明這兩種不同的振蕩模式均屬于密度波振蕩。

圖7 振蕩周期與流體流經(jīng)上升段所需時間的關(guān)系Fig.7 Relationship of flow oscillation period and the time required to pass through the chimney.

2.3 流動不穩(wěn)定邊界

圖8 為冷凝罐內(nèi)蒸汽壓力不同時所對應(yīng)的開式自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動過程。當(dāng)加熱蒸汽壓力較低時(pc=0.2 MPa、pc=0.3 MPa)，系統(tǒng)的啟動過程隨入口過冷度的減小會依次經(jīng)歷上述所描述的單相穩(wěn)定流動、兩相振蕩和兩相穩(wěn)定流動三個階段。隨加熱蒸汽壓力增大(pc=0.4 MPa)，加熱段內(nèi)的沸騰噴發(fā)作用權(quán)重增大，使得系統(tǒng)即使在低入口過冷度條件下也無法形成穩(wěn)定的兩相流動，而系統(tǒng)啟動過程中的流動模式只有單相穩(wěn)定流動和周期性振蕩流動兩種。

圖8 不同蒸汽壓力下的啟動過程Fig.8 Start-up processes with different steam pressures.

圖 9給出了不同熱流密度和不同入口過冷數(shù)(Nsub=(hf?hin)/hfg×(rf?rg)/rg)時系統(tǒng)的流動不穩(wěn)定性邊界圖。從圖9中看出，系統(tǒng)的流動不穩(wěn)定性只發(fā)生在一定的入口過冷度和加熱功率范圍內(nèi)；隨著加熱功率的增大，單相穩(wěn)定流動區(qū)域逐漸減小，流動不穩(wěn)定區(qū)域會增大；當(dāng)熱流密度超過120 kW·m?2·K?1時，系統(tǒng)很難再出現(xiàn)穩(wěn)定的兩相流動。在兩相振蕩區(qū)域內(nèi)，靠近高過冷度分界線的條件更容易使系統(tǒng)產(chǎn)生閃蒸不穩(wěn)定性，而過冷度較低時的流動振蕩則是由沸騰噴發(fā)和閃蒸共同引起的，并且沸騰噴發(fā)的作用程度隨過冷度降低而加劇。

圖9 啟動過程流動不穩(wěn)定性邊界Fig.9 Flow instability boundary during startup process.

3 結(jié)語

本文對開式自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動特性進(jìn)行了實驗研究，并分析了不同加熱功率和入口過冷度對系統(tǒng)流動模式和流動特性的影響，最后給出了系統(tǒng)的不穩(wěn)定流動邊界。結(jié)論如下：

(1) 開式自然循環(huán)系統(tǒng)在低加熱功率條件下隨入口過冷度的降低會依次出現(xiàn)單相穩(wěn)定流動、兩相振蕩和兩相穩(wěn)定流動。在兩相振蕩流動過程中，高入口過冷度條件會使系統(tǒng)產(chǎn)生閃蒸不穩(wěn)定性，而較低入口過冷度下的流動振蕩則是由加熱段沸騰噴發(fā)和上升段閃蒸共同引發(fā)的，并且隨入口過冷度的降低沸騰噴發(fā)的作用越強(qiáng)烈。

(2) 在兩相振蕩流動中，閃蒸誘發(fā)的流量振蕩以及沸騰噴發(fā)和閃蒸共同誘發(fā)的流量振蕩均屬于密度波流動不穩(wěn)定性。

(3) 系統(tǒng)在啟動過程中，兩相流動不穩(wěn)定區(qū)域隨加熱功率的增加會擴(kuò)大。當(dāng)加熱功率超過一定值時，系統(tǒng)很難再形成穩(wěn)定的兩相流動。

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