低壓自然循環(huán)系統(tǒng)流動閃蒸過程流型研究

房玉良，曹夏昕，倪 嵩，程 俊，范廣銘

(1.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049；3.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

低壓自然循環(huán)系統(tǒng)具有結構簡單、排熱能力強、可靠性高等優(yōu)良性能，因此被應用在反應堆安全系統(tǒng)的設計中，比如先進壓水堆的非能動安全殼熱量導出系統(tǒng)[1]。由于該系統(tǒng)運行壓力低，流體經過加熱后，進入上升段向上流動時，隨著靜壓的不斷降低，會因流體過熱而產生閃蒸汽化現(xiàn)象。隨著汽化的不斷進行，所呈現(xiàn)出的流型也將不斷變化。流型的確定對于準確計算閃蒸誘發(fā)的兩相自然循環(huán)流動特性有重要意義，因此有必要對閃蒸誘發(fā)的兩相流流型演變進行分析。

關于流動閃蒸方面，國內外相關學者已開展了大量的研究，并取得了豐富的研究成果[2-10]。其中，在核供熱堆和沸水堆研究領域，一些學者著手研究了流動閃蒸過程的流型問題。其中，吳少融等[11]基于HRTL5實驗回路進行了低壓自然循環(huán)兩相流流型及流型對密度波不穩(wěn)定性影響的研究，通過可視化與局部壓差信號識別對流型進行分類，并提出采用有物理含義的斯特勞哈爾數(shù)Sr判別流型。Mesquita等[12]結合可視化觀察，利用模糊流型識別系統(tǒng)對兩相自然循環(huán)流型圖像進行灰度處理，通過與實驗結果對比成功地判別了流型。Manera等[13-14]利用網格電導傳感器研究了閃蒸流動不穩(wěn)定過程中流型的變化。實際上，對于低壓自然循環(huán)系統(tǒng)，由于閃蒸誘發(fā)的兩相流流型演變是比較復雜的，在不同的熱工參數(shù)運行范圍下，所呈現(xiàn)的流型類型也不盡相同。為此，本文在較寬的運行參數(shù)范圍內，采用可視化實驗方法和網格式電導傳感器(wire-mesh sensor, WMS)流型反衍技術對低壓自然循環(huán)系統(tǒng)內流動閃蒸過程中的流型開展研究。

1 實驗系統(tǒng)與方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由可視化上升段、開式水箱、下降段以及電加熱器和水平段組成。上升段采用耐溫PC透明管，長約5 m，內徑50 mm，壁厚10 mm。實驗中，流體流經預熱器加熱到設定溫度后，熱流體進入可視化上升段，當流體溫度高于當?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟葧r，熱流體會汽化產生蒸汽，形成氣液兩相流動。而后混合流體進入水箱，蒸汽經過水箱冷凝，流體再次進入下降段，進入下一個循環(huán)流動過程。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experiment system

為測量流體在上升過程中的溫度變化，在可視化上升段內沿軸向等間距布置了多個溫度測點，如圖1所示。同時，實驗中采用了高速攝影儀和WMS記錄閃蒸過程中兩相流型沿軸向的演變過程。高速攝影采樣頻率100 pps，像素800×1 600，WMS流型反衍是利用金屬絲網測得電導率通過相關算法得到流型的瞬時影像。

實驗中，采用精度為0.5 ℃的Ⅰ級T型鎧裝熱電偶測量流體溫度，采用精度為0.05%的壓差傳感器測量差壓，采用精度為0.045%的電磁流量計測量循環(huán)流量。所有儀器儀表在使用前均統(tǒng)一經過標定。所有測量信號均通過NI高速數(shù)據采集系統(tǒng)進行采集記錄。為降低散熱對實驗結果的影響，上升段采用壁厚為10 mm的PC管，其他管路及水箱均做了保溫處理。同時，為評價數(shù)據結果的可靠性與準確性，本文對實驗結果的不確定度進行了計算，如表1所列。

表1 測量參數(shù)的不確定度Table 1 Uncertainty of measurement parameter

注：A類不確定度為樣本標準差；B類不確定度為系統(tǒng)不確定度

2 實驗結果與分析

2.1 閃蒸過程中的流型

閃蒸汽化過程與加熱沸騰相似，但又不完全相同。閃蒸汽化點可從壁面產生，也可從液體內部產生，關鍵取決于汽化核心的位置。如果是純凈的液體，內部不含任何微小雜質或不凝性氣體，則汽化主要從壁面上產生。因此，一旦存在汽化核心點，當流體存在一定過熱度時，就會在汽化核心位置處因熱不平衡效應首先產生汽化。即如果流體的熱不平衡程度是誘發(fā)閃蒸汽化的充分條件，那么汽化核心的存在則是促進汽化產生的必要因素。同時，流動閃蒸過程中的流型及其演變也與流動狀態(tài)是否穩(wěn)定密切相關。

1) 穩(wěn)定流動狀態(tài)

圖2示出了流體入口溫度107 ℃、水箱液位高度18 cm、循環(huán)流速0.83 m/s的運行條件下，拍攝記錄的典型閃蒸穩(wěn)定流動過程的流型。由于本文采用PC透明管作為上升段，其內壁較為光滑，因此，實驗中基本觀察不到從壁面汽化的現(xiàn)象。當流體向下游流動達到一定過熱度后，汽化首先是在插入的熱電偶表面產生。一方面，金屬殼體表面提供汽化核心，另一方面過熱流體繞流通過熱電偶時，產生小擾動，加速了汽化的發(fā)生。從現(xiàn)象來看，在熱電偶表面沿流動方面形成火焰狀汽泡，汽泡尾部不斷撕裂，形成小汽泡進入主流中，形成典型的泡狀流。因熱電偶是插入到上升段中心，因此，脫離后的汽泡群在一段的運動距離內是非對稱的，如圖2a所示。

圖2 閃蒸穩(wěn)定流動狀態(tài)下的兩相流型Fig.2 Type of flow pattern with flashing under stable condition

脫離上升的汽泡由橢球狀發(fā)展成尾部平滑、頂部凸起的不規(guī)則形狀，直徑為5～20 mm。汽泡在向上流動的過程中逐漸長大，相鄰汽泡會發(fā)生碰撞、聚合，如圖2b所示。過熱液體在向下游流動過程中，壓力逐漸降低，自閃蒸起始點之后的汽化過程相對緩慢，因此，泡狀流區(qū)間相對較長，在此區(qū)域內流體依然存在一定的過熱度。

隨著流體向下游流動，靜壓逐漸減小，汽化不斷進行，含汽率增加，大量小汽泡彌散在不規(guī)則汽塊的周圍，流型從彈-泡狀流過渡到攪混流狀態(tài)，如圖2c～l所示。此時，流道內已處于充分閃蒸階段，充滿了過熱液體和蒸汽汽泡。由于上升流道不可避免地會散發(fā)熱量，因此流道內還會存在較少的過冷流體。在攪混流流態(tài)下，汽泡的產生量大于冷凝量，總體來看氣相含量沿軸向仍在不斷增加。

隨軸向高度的增加，汽化持續(xù)進行，攪混流會過渡到細束環(huán)狀流，如圖3所示。借助于WMS流型反衍技術，可得出上升段出口位置處的兩相流型瞬態(tài)圖像。從圖3可看出，WMS位置處氣相是連續(xù)的，氣相中夾帶有液相，液相貼壁向上流動，液膜厚度不均。液膜受氣相擾動呈現(xiàn)波狀，液膜內還包含散亂小汽泡，部分液膜被汽流撕裂帶入汽芯，形成細束環(huán)狀流。

圖中白色和藍色分別代表氣相和液相圖3 WMS流型反衍瞬態(tài)圖Fig.3 Flow pattern reconstructed from WMS

2) 不穩(wěn)定流動狀態(tài)

圖4示出了流體入口溫度在104～105 ℃范圍內，上升段內出現(xiàn)的兩相流流型。在此工況下，彈狀流間歇產生，流動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，整個回路循環(huán)流量出現(xiàn)劇烈的波動，同時上升段入口溫度和壓降也出現(xiàn)了周期性波動(圖5)。從圖4可看出，在該工況下，汽化同樣是在插入的熱電偶表面產生，隨汽化的不斷發(fā)展，流型從泡狀流轉變?yōu)閺棤盍?，汽彈長度逐漸變長。

2.2 閃蒸起始點及穩(wěn)定流動區(qū)間確定

由上述現(xiàn)象可知，流型的演變和發(fā)展不僅與誘發(fā)閃蒸開始的擾動條件有關，也與運行工況密不可分。當熱工參數(shù)有變化時，流動狀態(tài)發(fā)生改變，流型存在的類型及區(qū)間也會發(fā)生變化，因此，有必要結合熱工參數(shù)變化確定閃蒸起始點及流動的穩(wěn)定性邊界。

1) 閃蒸起始位置

圖6示出了不同上升段入口溫度下，流體沿軸向相對位置z/L的時均溫度變化，其中z為上升段內某一位置高度，L為上升段總高度。

圖4 閃蒸流動不穩(wěn)定狀態(tài)下流型Fig.4 Flow pattern with flashing under unstable condition

圖5 流動不穩(wěn)定狀態(tài)下熱工參數(shù)變化Fig.5 Change of thermal parameter under unstable condition

從圖6可看出，在不同的上升段入口溫度下，流體溫度在不同的高度處發(fā)生了突降。結合閃蒸發(fā)生機理可知，當過熱液體的溫度超過當?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟葧r，在微小擾動的誘發(fā)下，會釋放熱量產生蒸汽，因此，一旦閃蒸現(xiàn)象發(fā)生，流體溫度必然降低。結合流體溫度沿軸向的變化規(guī)律，可確定流體溫度的突降點即為閃蒸發(fā)生的起始點。從圖6還可知，加熱功率越大，上升段入口流體溫度越高，流體溫度出現(xiàn)轉折點的位置距上升段出口越遠，閃蒸兩相段越長。反之，加熱功率越低，流體溫度出現(xiàn)轉折點位置距上升段出口越近，閃蒸兩相段越短。

圖6 不同上升段入口溫度下流體溫度沿軸向位置變化Fig.6 Axial change of fluid temperatures under different inlet temperatures

2) 流動穩(wěn)定性區(qū)間

由上述分析可知，在閃蒸穩(wěn)定流動狀態(tài)下的流型與不穩(wěn)定狀態(tài)下的流型是不同的，因此，有必要對流動穩(wěn)定性區(qū)間進行劃分。本文采用過冷數(shù)Nsub和閃蒸數(shù)Nflash對閃蒸不穩(wěn)定邊界進行確定[15]，即：

(1)

(2)

式中：h為比焓，kJ/kg；hγ為汽化潛熱，kJ/kg；ρf、ρg分別為飽和水和飽和蒸汽密度，kg/m3；cpf為飽和水比定壓熱容，kJ/(kg·K)；T為流體溫度，℃；α為截面平均含汽率；下標s表示飽和狀態(tài)，in表示上升段入口處。

圖7示出了閃蒸流動穩(wěn)定區(qū)域分布。

從圖7可看出，在Nsub小于12、Nflash介于4～5之間時，閃蒸誘發(fā)的兩相流動處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)。當Nsub大于12，即流體溫度低于105 ℃時，閃蒸兩相段很短，兩相段內流型主要是泡狀流，此時驅動流體循環(huán)流動的主要動力還是來自于上升段內的單相段流體與下降段流體的密度差產生的驅動力，因此流體處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)。

圖7 閃蒸流動穩(wěn)定區(qū)域分布Fig.7 Distribution of flashing flow stability region

3 結論

本文通過高速攝影技術和WMS流型反衍技術對低壓自然循環(huán)流動閃蒸過程中的流型開展研究，通過分析，得出結論如下。

1) 在閃蒸誘發(fā)的自然循環(huán)兩相穩(wěn)定流動狀態(tài)下，上升段內流型主要有泡狀流、彈(帽)狀流、攪混流及細束環(huán)狀流。在兩相不穩(wěn)定流動狀態(tài)下，上升段內間歇產生泡狀流和彈狀流。

2) 通過對流體溫度的軸向變化規(guī)律分析，確定流體溫度沿軸向位置變化的轉折點即為閃蒸起始位置。加熱功率越大，流體過熱度越高，閃蒸兩相段越長。

3) 采用無量綱Nsub和Nflash對閃蒸誘發(fā)的兩相流動狀態(tài)進行了劃分。當Nsub小于12、Nflash介于4～5之間時，閃蒸誘發(fā)的兩相自然循環(huán)流動處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)。