豎直向下大、小支管氣相夾帶起始可視化研究

嚴(yán)睿豪，曾春杰，辛福濤，張 鑫，孟兆明

(哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在核電站許多系統(tǒng)中，T型管結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，例如AP1000中非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)管道、第4級(jí)自動(dòng)減壓系統(tǒng)管道與熱管段構(gòu)成的T型管結(jié)構(gòu)[1-2]，CANDU堆的集管——進(jìn)料器所形成的T型管[3]以及反應(yīng)堆失水事故中由于破口產(chǎn)生的T型管結(jié)構(gòu)[4]等。在冷卻劑管道發(fā)生事故時(shí)，如果破口處于主管的液相處，那么破口部位可能發(fā)生氣相夾帶現(xiàn)象，夾帶現(xiàn)象也會(huì)對(duì)其他現(xiàn)象的預(yù)測(cè)和評(píng)估帶來(lái)影響[5]，因此研究T型管的氣相夾帶現(xiàn)象具有重要的工程價(jià)值。

Smoglie、Reimann等[6-7]研究得到了T型管在小尺寸支管條件下的氣相夾帶起始的數(shù)學(xué)模型以及小支管質(zhì)量含氣率的數(shù)學(xué)模型，并給出了從有漩渦流動(dòng)向無(wú)漩渦流動(dòng)轉(zhuǎn)變的原因。Bowden和Hassan[8]建立了更完善的小支管氣相夾帶起始的理論模型，并進(jìn)行了詳細(xì)分析。這些模型已被應(yīng)用到核電站的分析程序中，如RELAP5[9]、CATHARE[10]等。在俄勒岡州立大學(xué)APEX實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上所進(jìn)行的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，用RELAP5模型并未成功預(yù)測(cè)到實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的堆芯裸露現(xiàn)象，原因是RELAP5模型中夾帶模型對(duì)ADS-4這種大尺寸支管并不適用[10-11]，RELAP5-3D對(duì)VVER核電廠小破口失水事故的失敗預(yù)測(cè)也同樣證明了程序中采用了不合適的氣相夾帶模型[12]。對(duì)于氣相夾帶，研究主要針對(duì)小支管，并且已建立了較為完善和成熟的預(yù)測(cè)模型和理論體系[13-14]，但并未對(duì)大尺寸支管的氣相夾帶進(jìn)行充分的研究。

本文通過(guò)豎直向下的大、小支管實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)大、小支管的夾帶起始點(diǎn)進(jìn)行可視化研究，旨在對(duì)比大、小支管的夾帶起始現(xiàn)象的差異，并探究大、小支管夾帶起始現(xiàn)象的影響因素和其中的規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主管內(nèi)徑為80 mm，大支管內(nèi)徑為50 mm，小支管內(nèi)徑為8 mm，支管長(zhǎng)度均為410 mm。實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為2 570 mm，其中上游為1 730 mm，下游為840 mm。文獻(xiàn)[15]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低壓下用空氣-水模擬實(shí)際反應(yīng)堆中的蒸汽-水，對(duì)夾帶現(xiàn)象并無(wú)影響，且空氣-水更易操作，因此本實(shí)驗(yàn)采用空氣-水為工質(zhì)。

為方便對(duì)實(shí)驗(yàn)主管內(nèi)兩種流體的夾帶起始現(xiàn)象和流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)主管段采用有機(jī)玻璃為材料。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖如圖1所示，T型管上游處有一水平擋板，防止空氣和水在進(jìn)口段互相混合從分層流變?yōu)槠渌餍陀绊憡A帶。T型管主管段下游封閉，T型管支管靠近水箱處安裝一閘閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閘閥開(kāi)度從而控制主管液位高低。T型管支管尾部少許插入以透明水箱為主體的氣水分離腔，氣液兩相在氣水分離腔分離，聯(lián)通氣管、收集裝置、透明水箱均有良好的密封性。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental bench

整個(gè)實(shí)驗(yàn)回路分為水路和氣路兩部分。由流量范圍為0～4 m3/h的離心泵供給水路水源，經(jīng)過(guò)幾何尺寸為25 mm的PP-R管(三型聚丙烯管)到達(dá)主管道，并在旁通支管后安裝渦輪流量計(jì)和熱電偶測(cè)量進(jìn)入主管水的質(zhì)量流量和溫度。主管道上有一開(kāi)口，與大氣環(huán)境相連通，同時(shí)有熱電偶測(cè)量空氣溫度。當(dāng)氣液兩相流經(jīng)過(guò)T型管時(shí)，液相會(huì)順著支管流出，當(dāng)液位較低時(shí)，將夾帶氣體進(jìn)入氣水分離腔。在氣水分離腔中存在一擋板，氣相會(huì)通過(guò)另一管道被質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量然后進(jìn)入大氣，液相會(huì)經(jīng)過(guò)一系列管道最后回到水箱，完成1個(gè)循環(huán)。

表1列出主要測(cè)量設(shè)備及其參數(shù)。測(cè)量設(shè)備的精確度和準(zhǔn)確度對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的準(zhǔn)確性影響非常大，因此在選擇實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)一定要嚴(yán)謹(jǐn)。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)調(diào)研并結(jié)合理論數(shù)據(jù)分析，選出了針對(duì)本實(shí)驗(yàn)具有最合適量程的儀器，且必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 主要測(cè)量設(shè)備及其參數(shù)Table 1 Main measurement equipment and parameter

實(shí)驗(yàn)中水的質(zhì)量流量由渦輪流量計(jì)測(cè)量；測(cè)量溫度分布時(shí)為了避免影響流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，決定采用φ1 mm鎧裝熱電偶；采用壓力變送器測(cè)量T型管實(shí)驗(yàn)段壓差；由于氣相夾帶量較少，測(cè)量時(shí)無(wú)法使用常規(guī)流量計(jì)，因此使用微氣體質(zhì)量流量計(jì)。

質(zhì)量流量計(jì)以及渦輪流量計(jì)在安裝時(shí)應(yīng)注意前后至少5D(D為主管內(nèi)徑)和25D的安裝要求，且與傳感器相連通的直管段的通徑盡可能與傳感器一致，在安裝傳感器時(shí)應(yīng)避開(kāi)機(jī)械振動(dòng)與強(qiáng)電磁場(chǎng)等。對(duì)于體積流量計(jì)，需配備溫壓補(bǔ)償裝置，并且應(yīng)在傳感器下游的3D～5D處設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)，在傳感器下游的6D～8D設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。對(duì)于壓差傳感器的取壓管，應(yīng)保證在實(shí)驗(yàn)前裝滿水。對(duì)于熱電偶，必須插入足夠的深度。

在可視化實(shí)驗(yàn)研究中采用Phantom高速攝像系統(tǒng)以80 幀/s的頻率記錄夾帶起始現(xiàn)象。同時(shí)使用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)液體溫度、主管內(nèi)壓差、夾帶氣體流量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用LabVIEW編程語(yǔ)言編制控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)滿足采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)以及圖形現(xiàn)實(shí)的要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，首先檢查在主管道上的壓差傳感器，確保取壓管內(nèi)的液位和主管道底端平齊，然后記錄初始液位，同時(shí)檢查各管道閥門是否符合實(shí)驗(yàn)要求。

2) 打開(kāi)離心泵，調(diào)節(jié)渦輪流量計(jì)前的閘閥和旁通支管，使液相流量保持在一穩(wěn)定值，同時(shí)使支管下游閥門開(kāi)度較小，并保持不變，將主管液位穩(wěn)定在較高液位。

3) 在這一穩(wěn)定的液相流量下，再調(diào)節(jié)支管下游的閥門開(kāi)度，改變主管液位的高度，使主管液位高度不斷下降直到發(fā)生夾帶起始為止。由于夾帶起始是有周期性的，所以每一液位均需一段時(shí)間去觀察是否有夾帶起始現(xiàn)象的發(fā)生。

4) 改變液相流量，重復(fù)步驟3。

5) 結(jié)束實(shí)驗(yàn)后排空主管道內(nèi)的水，觀察此時(shí)取壓管的液位和初始液位是否一致，若誤差較大則可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取壓管被移動(dòng)，需重新定位取壓管液位再次實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的定義

本文選取的Fr(弗洛德數(shù))的定義為：

(1)

式中：ρL為液體的密度，kg/m3；ρG為氣體的密度，kg/m3；W3L為支管的液相質(zhì)量流量，kg/s；d為支管直徑，m；v3L為支管流速，m/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在小支管實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于渦輪流量最小閾值的限制以及支管泄流流量，液相流量?jī)H能在30～95 m3/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在初始情況下，給定較高的初始液相流量，控制支管閥門開(kāi)度，緩慢降低主管液位，此時(shí)觀察到液面和水的交界處有漩渦出現(xiàn)，當(dāng)液位逐漸降低時(shí)，從漩渦處延伸出1條彎曲的氣道到支管口和主管道的夾角處，氣道從漩渦處向支管處越變?cè)秸?，并將少量的氣體夾帶進(jìn)入支管(圖2)。

第1個(gè)彎曲氣道出現(xiàn)后并不是很穩(wěn)定，僅維持幾s，之后將會(huì)消失，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才會(huì)形成另一個(gè)氣道，維持幾s后又消失，然后每隔一段時(shí)間均會(huì)產(chǎn)生一段維持幾s的彎曲氣道，間隔時(shí)間大致相等，且每個(gè)循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生彎曲氣道的時(shí)間也大致相等，因此氣相夾帶起始現(xiàn)象是周期性出現(xiàn)的。當(dāng)調(diào)節(jié)閥門使主管液位繼續(xù)降低時(shí)，彎曲的氣道的直徑將會(huì)擴(kuò)大，氣道穩(wěn)定的周期變得越來(lái)越短，被氣道夾帶進(jìn)支管的氣泡也越來(lái)越大。空氣被夾帶進(jìn)入支管中，形成氣泡直接通過(guò)支管并在支管中匯集多個(gè)周期的氣泡進(jìn)而形成泡狀流，圖3a、b表示了支管中氣泡從無(wú)到有的過(guò)程。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行大支管夾帶實(shí)驗(yàn)，可得大支管的夾帶起始的1個(gè)周期(圖4)，此時(shí)可觀察到1個(gè)大的氣室出現(xiàn)，并且在液面和水的交界處有漩渦出現(xiàn)，由圖4a～d可看出漩渦的直徑和長(zhǎng)度會(huì)明顯變大，最后漩渦底端和氣室相連，另外當(dāng)有氣泡進(jìn)入支管中時(shí)并不會(huì)直接通過(guò)支管而是在氣室下方翻騰(圖4c、d)。

圖2 向下小支管夾帶起始發(fā)展Fig.2 Development of downward small branch pipe entrainment initiation

圖3 夾帶氣泡變大Fig.3 Expansion of entrainment bubble

大、小T型管夾帶，在夾帶起始的現(xiàn)象上大致相同，均是從出現(xiàn)漩渦開(kāi)始形成氣道然后發(fā)生夾帶，且漩渦呈周期性出現(xiàn)。在支管尺寸的影響下，大、小支管的夾帶起始現(xiàn)象仍有不同：大支管夾帶起始時(shí)，支管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)氣室(圖4)。對(duì)比本文的小支管實(shí)驗(yàn)中，未出現(xiàn)氣室現(xiàn)象。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)液相流量，推斷出大支管中出現(xiàn)氣室的原因和液相流量有關(guān)，當(dāng)液相流量較小(W3L<1 000 kg/h)時(shí)支管中一般不會(huì)出現(xiàn)氣室；當(dāng)液相流量較大(W3L>1 000 kg/h)時(shí)支管中會(huì)出現(xiàn)氣室。

圖4 大支管的夾帶起始的1個(gè)周期Fig.4 A period of entrainment initiationof large branch pipe

圖5 大支管中漩渦對(duì)比Fig.5 Comparison of vortices in large branch pipe

在夾帶起始的1個(gè)周期內(nèi)，小支管內(nèi)的漩渦尺寸并無(wú)明顯變化，而在大支管內(nèi)的漩渦尺寸變化較為明顯。在夾帶起始周期剛開(kāi)始時(shí)，大支管內(nèi)的漩渦較小(圖5a)，而在夾帶起始周期的后半段時(shí)間內(nèi)，大支管內(nèi)的漩渦逐漸變大，且此時(shí)由于漩渦變大的影響，氣室也會(huì)變小(圖5b)。大、小支管漩渦在周期內(nèi)大小的變化主要是受幾何尺寸的限制。在小支管實(shí)驗(yàn)中，因支管尺寸太小，小支管夾帶中能形成的漩渦規(guī)模十分有限，因此小支管從初始到后來(lái)漩渦尺寸變化不大。而大支管能形成的最大漩渦尺寸較大，因此在夾帶過(guò)程中具有明顯的尺寸變化。除此之外，大支管中的氣室也影響漩渦尺寸，由于氣室的存在，支管中的流通面積會(huì)變小，使液相流速在支管口處突然增大，壓強(qiáng)變小，進(jìn)而由于伯努利原理，產(chǎn)生的漩渦也較大。

小支管中產(chǎn)生的氣泡會(huì)通過(guò)支管直接進(jìn)入到氣水分離腔(圖6a)，但大支管中的氣泡并不會(huì)全部進(jìn)入氣水分離腔，因在大支管中產(chǎn)生的氣泡較大，浮力較大，導(dǎo)致部分氣泡不會(huì)隨著液相進(jìn)入氣水分離腔，而是在氣室下方不斷翻騰(圖6b)，小支管中氣泡較小，不存在這種現(xiàn)象。

圖6 大、小支管夾帶起始現(xiàn)象對(duì)比Fig.6 Comparison of entrainment initiationphenomena for large and small branch pipes

由液相流量求得液相流速，用Origin畫(huà)圖可得圖7，對(duì)比大、小支管夾帶起始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)大、小支管的流速相同時(shí)，大支管的夾帶起始的臨界液位明顯高于小支管的。Welter等[15]認(rèn)為在液相夾帶實(shí)驗(yàn)中夾帶起始點(diǎn)主要與主管內(nèi)液位高度以及支管Fr有關(guān)。當(dāng)支管Fr不變時(shí)，即支管液相流量W3L一定時(shí)，主管液位越低，越易發(fā)生夾帶起始。當(dāng)液位高度不發(fā)生變化時(shí)，支管Fr越大，即支管液相流量越大，越易發(fā)生夾帶起始。

圖7 夾帶起始臨界液位與流速關(guān)系Fig.7 Relation of entrainment initiation critical liquid level and flow rate

本文求得的支管速度實(shí)際上是由W3L求得的，并不是真實(shí)的液相流速，而是支管的J3L(支管液相折算速度)。當(dāng)支管中存在氣室時(shí)，J3L與真實(shí)的支管速度并不相等，由于大支管中有氣室，導(dǎo)致支管的流通面積被占據(jù)一部分，使支管速度明顯大于J3L。相應(yīng)此時(shí)水的慣性力會(huì)明顯增大，使得發(fā)生夾帶起始的液位變得更高。因此在相同的J3L下，大支管的夾帶起始液位高于小支管的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)大、小支管進(jìn)行可視化研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了大、小支管夾帶現(xiàn)象的不同，并分析其區(qū)別，找出了大、小支管夾帶起始現(xiàn)象的影響因素和其中的規(guī)律，主要結(jié)論如下。

1) 大、小支管夾帶形式為漩渦狀流動(dòng)，夾帶漩渦通常是不穩(wěn)定的、周期性出現(xiàn)的，支管內(nèi)流動(dòng)為泡狀流。相同支管速度下，在夾帶的1個(gè)周期內(nèi)，大支管中漩渦尺寸變化較明顯，而小支管漩渦尺寸幾乎無(wú)變化。

2) 大、小支管的氣相夾帶起始受幾何尺寸影響，依然還是有很多不同。大支管中，當(dāng)支管液相流量較大(W3L>1 000 kg/h)時(shí)，在主管道和支管接口處會(huì)形成氣室。

3) 大支管中的氣泡不會(huì)全部通過(guò)支管進(jìn)入氣水分離腔，而是在氣室下方不斷翻騰。

4) 在相同的液相折算速度下，大支管夾帶起始液位高于小支管的。