低流速下渦流二極管單向性實(shí)驗(yàn)研究

吳燕華，何兆忠，陳 堃

(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所,上海201800)

低流速下渦流二極管單向性實(shí)驗(yàn)研究

吳燕華，何兆忠，陳 堃

(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所,上海201800)

為研究氟鹽冷卻高溫堆(Fluoride-salt-cooled High temperature Reactor, FHR)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的控流裝置——渦流二極管在低流速下的性能參數(shù)，建立了實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試了在水工質(zhì)下由3D打印尼龍材料渦流二極管的單向特性，并由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到相同結(jié)構(gòu)尺寸的渦流二極管在FliBe工質(zhì)下的壓降值。研究結(jié)果表明，本文實(shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi)測(cè)得的渦流二極管單向性隨雷諾數(shù)的增加不斷升高，最大值為23。正向流動(dòng)阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的升高不斷降低，反向流動(dòng)阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大先增大后降低。研究結(jié)果還表明本文研究的渦流二極管結(jié)構(gòu)不適用于小功率氟鹽冷卻高溫堆非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

氟鹽冷卻高溫堆；非能動(dòng)衰變熱排出系統(tǒng)；渦流二極管；單向性；FLiBe；壓降

渦流二極管是一種反向流動(dòng)阻力大，正向流動(dòng)阻力小的非能動(dòng)流體控制裝置，類似于單向閥。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)無(wú)需外部控制和動(dòng)力，因此發(fā)生機(jī)械故障概率低，可靠性高，易維護(hù)。因這一單向流動(dòng)特性及其特有的非能動(dòng)特性，渦流二極管被引入FHR的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中。當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，渦流二極管處于高流阻狀態(tài)，限制流量的通過(guò)，降低堆芯旁路帶走堆芯熱量。當(dāng)完全喪失電源的情況下，流向逆轉(zhuǎn)，渦流二極管處于低流阻狀態(tài)，建立自然循環(huán)將堆芯余熱排出。在上述兩種工況下，渦流二極管內(nèi)部的絕大部分流動(dòng)處于低流速下，且其單向性影響非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的冷卻能力。作為非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，需要研究低流速下渦流二極管的性能。

目前，有關(guān)渦流二極管的研究主要集中于結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1,4]及動(dòng)力輸送系統(tǒng)領(lǐng)域[5,6]，對(duì)于流體控制領(lǐng)域方面的報(bào)道很少，尤其缺乏應(yīng)用于FHR非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中實(shí)際可行的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，為了得到滿足非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)流體控制要求的渦流二極管性能參數(shù)，有必要建立研究渦流二極管在低流速下單向性的實(shí)驗(yàn)裝置。因FHR的冷卻劑FLiBe有較強(qiáng)腐蝕性及高熔點(diǎn)，直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)難度較大及成本較高，已有文獻(xiàn)[7]通過(guò)?；治霾?shù)值模擬驗(yàn)證表明可采用較安全及方便的水代替FLiBe研究相同結(jié)構(gòu)尺寸渦流二極管內(nèi)的單向特性。

因此，本文在自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置上，以水為工質(zhì)進(jìn)行了渦流二極管單向性的實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)模化獲得相同結(jié)構(gòu)尺寸的渦流二極管在FliBe工質(zhì)下的壓降值，可為建立非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法提供參考。

1 FHR非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)

FHR是先進(jìn)的第四代反應(yīng)堆，集合了四種核能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：熔鹽堆的液態(tài)氟鹽冷卻劑、高溫氣冷堆的TRISO燃料、快堆的非能動(dòng)系統(tǒng)與池式結(jié)構(gòu)、火電廠的布雷頓動(dòng)力循環(huán)技術(shù)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校(UCB)設(shè)計(jì)的一種900 MWth 410 MWe FHR非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)[8]如圖1所示。

圖 1 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of [8]

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備為渦流二極管：當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行，堆芯熱量主要靠一回路系統(tǒng)排出，堆芯旁路中的流體從下往上流，渦流二極管限制了大量冷卻劑進(jìn)入旁路，此時(shí)處于反向流動(dòng)高流阻狀態(tài)，以阻止非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)帶走堆芯熱量。同時(shí)，少量冷卻劑通過(guò)渦流二極管將熱量通過(guò)DHX帶至冷卻回路的熔鹽，防止凝固。當(dāng)完全喪失電源的情況下，主泵停止運(yùn)行，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)依靠自然循環(huán)排出堆芯整體熱量的2%：堆芯旁路流體流向逆轉(zhuǎn)，從上往下流，由堆芯熱熔鹽與旁路冷熔鹽之間溫差所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力建立自然循環(huán)，此時(shí)渦流二極管處于正向流動(dòng)低流阻狀態(tài)，需足夠的流量通過(guò)DHX將堆芯余熱帶至冷卻回路，再由空冷塔排至大氣中?？孔匀谎h(huán)排出的余熱只是滿負(fù)荷時(shí)運(yùn)行的一小部分，即通過(guò)旁路的流量基本還是很小。在上述兩種工況下，非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)中渦流二極管內(nèi)部的絕大部分流動(dòng)處于低流速狀態(tài)，其冷卻劑FLiBe的設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為9.06 kg/s[9]。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]的?；椒?，為保證水與FLiBe在渦流二極管內(nèi)的流動(dòng)達(dá)到相似，需使雷諾準(zhǔn)則、歐拉準(zhǔn)則分別相等[7]。

(1)

(2)

通過(guò)計(jì)算，25℃水與堆芯正常工況下和事故工況下600～700℃FLiBe在渦流二極管內(nèi)的流動(dòng)要達(dá)到相似，則水需要的體積流量為3～7m3/h[7]。

2 渦流二極管

本文采用的渦流二極管實(shí)驗(yàn)本體如圖2。渦流二極管由三部分組成：切向管、渦腔和垂直管。當(dāng)流體從切向管進(jìn)入渦腔形成旋渦，高離心力產(chǎn)生較高的徑向壓力梯度，即形成較大的壓降，此時(shí)稱為反向流動(dòng)。當(dāng)流體從垂直管進(jìn)入渦腔，形成徑向流動(dòng)，流動(dòng)阻力很小，基本相當(dāng)于兩個(gè)90°彎頭的阻力，此時(shí)稱為正向流動(dòng)。

圖 2 渦流二極管Fig.2 Schematic of the vortex diode

評(píng)定渦流二極管性能最常見的參數(shù)是單向性E：在相同入口流速下，反向流動(dòng)阻力系數(shù)與正向流動(dòng)阻力系數(shù)的比值：

E=Eur/Euf

(3)

式中，Eur為反向阻力系數(shù)；Euf為正向阻力系數(shù)。

(4)

式中，ΔP為渦流二極管兩端的壓降；ρ為流體密度，kg·m-3；Q為體積流量，m3/s； A為切向管與渦腔連接處的橫截面積，m2；V為A處對(duì)應(yīng)的流體速度，m·s-1。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)試渦流二極管性能的實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)回路工作原理為：水箱中的室溫水經(jīng)手動(dòng)閥2、離心泵分兩支路，一路通過(guò)旁路閥4流回水箱，另一路進(jìn)入渦流二極管支路：調(diào)節(jié)閥5、三通閥6、流量計(jì)8/9，從反向/正向流過(guò)渦流二極管，再經(jīng)過(guò)三通閥7、手動(dòng)閥17返回水箱。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)閥門5旁路閥4及泵頻率改變進(jìn)入渦流二極管支路的水流量，通過(guò)三通閥6和7改變渦流二極管的工作模式：反向流動(dòng)時(shí)三通閥6和7的A、C口打開，B口關(guān)閉，以切向管作為入口；正向流動(dòng)時(shí)A、B口打開， C口關(guān)閉，以垂直管作為入口。測(cè)量?jī)x器連接至PLC控制柜，數(shù)據(jù)采集的頻率為1Hz。實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍如表1。

圖 3 渦流二極管性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.3 the schematic of the water loop testing the performance of the vortex diode表 1 回路參數(shù)Table 1 Parameters of the loop

參數(shù)單位流量m3/h0～9設(shè)計(jì)壓力MPa10設(shè)計(jì)溫度℃0～60

實(shí)驗(yàn)中采用的渦流二極管由FORTUS400MC三維打印機(jī)制作，材料為黑色尼龍，用標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼喉箍與管道連接安裝在水回路中，如圖4。尺寸見表2。

圖 4 實(shí)驗(yàn)本體Fig.4 Vortex diode made by 3D printer表 2 渦流二極管實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)(mm)Table 2 Structural parameters of the vortex diode (mm)

名稱類型符號(hào)渦腔內(nèi)徑d150高度h25噴嘴垂直管dA?dE?dAO25?20?409圓弧半徑RC16切向管dT?dTO25?409錐角θ5°

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5為正向流動(dòng)尼龍材料的渦流二極管兩端的流動(dòng)阻力系數(shù)Euf隨雷諾數(shù)Re的變化曲線。從圖中可以看出，Euf隨Re的升高不斷降低。圖6為反向流動(dòng)時(shí)尼龍材料的渦流二極管兩端的流動(dòng)阻力系數(shù)Eur隨雷諾數(shù)Re的變化曲線。從圖中可以看出，Eur隨Re的增大先增大，在Re為20 000后則不斷降低。分析其原因，可能是因3D打印技術(shù)本身的工藝致使渦流二極管的結(jié)構(gòu)有微小孔隙，當(dāng)隨著流速增大，腔心壓力不斷增大，當(dāng)Re為20 000后渦腔開始變形滲水泄壓，從而Eur不斷降低。

圖5 Euf隨Re的變化曲線Fig.5 Plot of Euf vs. Re

圖 6 Eur隨Re的變化曲線Fig.6 Plot of Eur vs. Re

根據(jù)間接測(cè)量的不確定度分析，可得Eu的合成不確定度S：

(5)

式中：Xi, (i=1, 2, …, 6): 流量Q，壓降Δp，進(jìn)口壓力P1，進(jìn)口溫度T1，出口壓力P2，出口溫度T2；

ui,: 參數(shù)Xi在測(cè)量過(guò)程中的重復(fù)測(cè)量誤差；

si:參數(shù)Xi的測(cè)量?jī)x表的示值誤差；

根據(jù)式(5)計(jì)算得到：正向阻力系數(shù)合成不確定度的最大值為0.145，而反向阻力系數(shù)合成不確定度的最大值為0.632，且隨著流速增加，不確定度不斷降低。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及式(3)即可得到單向性E，如圖7。從圖中可以看出，渦流二極管的E隨Re的增加而增加，在Re為20 000后則增加的速度變慢，目前達(dá)到最大值為23。

由本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的在水工質(zhì)下渦流二極管兩端的壓降值，根據(jù)文獻(xiàn)[7]的?；椒ㄓ?jì)算可得到在FliBe工質(zhì)下相同結(jié)構(gòu)尺寸的渦流二極管兩端的壓降值，計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖 7 E隨Re的變化曲線Fig.7 Plot of E vs. Re

圖8 ΔPf隨G的變化曲線Fig.8 Curves of ΔPf vs. G

圖9 ΔPr隨G的變化曲線Fig.9 Curves of ΔPr vs. G

則本文研究的渦流二極管結(jié)構(gòu)應(yīng)用于 900 MWth 410 MWe FHR時(shí)，在650℃ FLiBe工質(zhì)流量為9.06 kg/s[9]下正向流動(dòng)產(chǎn)生的壓降為193kPa，反向流動(dòng)產(chǎn)生的壓降為4239kPa。而根據(jù)Qiuping Lv[10]的研究，20MWth FHR在正常工況下渦流二極管處于反向流動(dòng)時(shí)設(shè)計(jì)的兩端壓降為12463 Pa，事故工況下渦流二極管處于正向流動(dòng)時(shí)設(shè)計(jì)的兩端壓降為303 Pa。本文計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20MWth FHR的設(shè)計(jì)值，表明該實(shí)驗(yàn)用的渦流二極管結(jié)構(gòu)不適用于該20 MWth FHR的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。

本文3D打印得到的實(shí)驗(yàn)本體，其表面相對(duì)粗糙，在正向流動(dòng)與反向流動(dòng)過(guò)程中渦流二極管的流動(dòng)壓降都有所增加，但綜合后對(duì)性能的影響效果無(wú)法預(yù)測(cè)，還需進(jìn)一步研究。未來(lái)將考慮采用表面相對(duì)較光滑的不銹鋼鑄造實(shí)驗(yàn)本體，通過(guò)與本文結(jié)果對(duì)比研究粗糙度對(duì)渦流二極管性能的影響。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低流速下3D打印的尼龍渦流二極管單向性的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1) 渦流二極管Euf隨Re的升高不斷降低，Eur隨Re的增大先增大后降低。

2) 單向性E隨Re的增加不斷升高，在本實(shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi)，最大單向性為23。

3) 本實(shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi)測(cè)得的渦流二極管水工質(zhì)下的壓降值，經(jīng)模化計(jì)算得到相同結(jié)構(gòu)尺寸的渦流二極管在FliBe工質(zhì)下的壓降值，這可為FHR非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。并表明本文實(shí)驗(yàn)用的渦流二極管結(jié)構(gòu)不適用于小功率FHR的非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)。

[1] Kulkarni AA, Ranade VV, Rajeev R, et al. CFD simulation of flow in vortex diodes[J]. AIChE Journal, 2008, 54 (5): 1139-1152.

[2] Kulkarni AA, Ranade VV, Rajeev R, et al. Pressure drop across vortex diodes: Experiments and design guidelines[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64 (6): 1285-1292.

[3] 焦磊, 陳樅楠, 吳淳杰, 等. 切向管結(jié)構(gòu)對(duì)渦流二極管性能影響的數(shù)值模擬[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2011, (03): 415-418.

[4] 邵森林, 李江云, 邱寒. 提高渦流二極管性能的數(shù)值仿真分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2011, (06): 953-956. [5] 王樂(lè)勤, 孫青軍, 焦磊. 渦流二極管泵輸送系統(tǒng)性能研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2009, 30(09): 1499-1501.

[6] 郭彥華. 核用氣動(dòng)式脈沖液體射流泵和渦流二極管泵性能實(shí)驗(yàn)研究[D]. 清華大學(xué), 2004.

[7] 吳燕華，曹 寅，曲世祥，何兆忠，陳 堃.工質(zhì)替代FLiBe研究渦流二極管單向特性的?；治鯷J]. 核技術(shù)，2014, 37(11).

[8] Forsberg C, Hu L W, Peterson P F, et al. Fluoride-salt-cooled High-temperature reactors (FHRs) for base-load and peak electricity, grid stabilization, and process heat[R]. America: Massachusetts Institute of Technology, University of California at Berkeley, and University of Wisconsin, 2013.

[9] R. Burnett, D. Caso, and J. Tang. Fluidic Diode Development and Optimization[R]. Department of Nuclear Engineering, U.C. Berkeley, May 14, 2010.

[10] Qiuping Lv, Minghui Chen, Xiaodong Sun, et al. Design of Fluidic Diode for a High-Temperature DRACS Test Facility[C]. Nuclear engineering, 2013.

Experimental Study on the Performance ofVortex Diode at Low Flow Rate Condition

WU Yan-hua，HE Zhao-zhong，CHEN Kun

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

The vortex diode is used as a flow control device in the passive decay heat removal system of fluoride salt cooled high-temperature reactor (FHR). To obtain the flow and pressure drop characteristics of the vortex diode in low flow, we carried out a detailed experimental study of a vortex diode fabricated from nylon by a 3D printer in a water loop. And the experimental results are analyzed to obtain the pressure drops of the vortex diode with FliBe at the same structure. The results are as follows: (1) The diodicity of the vortex diode increases with increasing Re in the experimental mass flow range. The maximum of the diodicity reaches 23. (2) With increasing Re, forward flow Euler number (Euf) decreases, reverse flow Euler number (Eur) first increased and then decreased. (3) The vortex diode studied in this paper is not fit for a passive decay heat removal system of the low power FHR.

FHR; Passive decay heat removal system; Vortex diode; Diodicity; FLiBe; Pressure drop

2015-12-10

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(No.XDA02050100)、上海市科研計(jì)劃項(xiàng)目(No.14ZR1448400)資助

吳燕華(1988—)，女，江西人，助理研究員，工學(xué)碩士，現(xiàn)主要從事核安全與核技術(shù)相關(guān)方面的研究方面的研究工作

TL426

A

0258-0918(2016)04-0606-05