螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性的研究進展綜述

程 坤 陸雅哲 陳宏霞 吳 鵬 初 曉

（核反應堆系統(tǒng)設計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

浮動核電站是搭載有小型壓水堆的海洋船舶裝備，具有能源輸出高效穩(wěn)定、清潔環(huán)保、機動性好等優(yōu)點，是解決我國近海島礁與遠海穩(wěn)定能源供應難題的理想途徑[1]。由于船舶載體的內(nèi)部空間有限，現(xiàn)有浮動核電站設計（如中國ACPR50S、俄羅斯KLT-40S 等）多采用結(jié)構(gòu)緊湊、換熱高效的螺旋管直流蒸汽發(fā)生器作為反應堆一、二回路間的關(guān)鍵換熱設備[2]，其運行穩(wěn)定性將直接影響浮動核電站的能源輸出品質(zhì)和反應堆安全。

作為直流蒸汽發(fā)生器中實現(xiàn)能量傳遞的核心部件， 螺旋換熱管內(nèi)存在的汽液兩相流動不穩(wěn)定性是直流蒸汽發(fā)生器安全可靠運行的重要威脅。 兩相流動不穩(wěn)定性會引起并聯(lián)螺旋管內(nèi)流量、 壓降和空泡份額等熱工參數(shù)的大幅振蕩， 造成螺旋管發(fā)生熱應力的交替變化及機械振動， 甚至導致蒸發(fā)器傳熱管破裂（SGTR）等事故的發(fā)生。 國內(nèi)外研究者針對螺旋管內(nèi)汽液兩相流動不穩(wěn)定性誘發(fā)機理、影響因素、不穩(wěn)定邊界及預測技術(shù)等開展了大量的理論分析、數(shù)值仿真和試驗研究。 本文基于公開發(fā)表的文獻，綜述螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性的國內(nèi)外研究進展和重要成果， 分析過去研究中不足并提出未來研究的相關(guān)建議。

1 靜態(tài)條件下螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性研究

兩相流動不穩(wěn)定性是動力裝置熱工水力研究領域長期關(guān)注的重點問題之一。 Boure 等[3]、Kakac 等[4]、Ruspini 等[5]對各時期的重要研究成果進行綜述。 可以發(fā)現(xiàn)，過去研究主要關(guān)注靜態(tài)條件下沸騰直管通道內(nèi)存在的兩相流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象，形成了對直管通道內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性誘發(fā)影響機理較為清晰的認知。與之相比，針對螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定特性的研究開展相對較少。

對于兩相沸騰通道來說，流動壓降、沸騰換熱、汽泡動力學行為等熱工水力特性是影響決定其兩相流動不穩(wěn)定特性的關(guān)鍵因素。螺旋管內(nèi)流體受到離心力的作用會產(chǎn)生局部二次流、 汽-液兩相非均勻分布等特殊現(xiàn)象，造成螺旋管的熱工水力特性與直管通道相比存在顯著區(qū)別[6]。 Naphon 等[7]指出二次流現(xiàn)象（見圖1）的存在使得螺旋管內(nèi)的單相流動行為相比與直管通道更為復雜，螺旋管內(nèi)單相摩擦壓降要明顯高于相同流量下的直管通道，且局部二次流的攪混作用能夠強化螺旋管的單相流動傳熱能力。 由于汽-液兩相存在較大的密度差異，螺旋管內(nèi)兩相熱工水力特性受離心力的影響更加顯著。 Murai 等[9]和Sun 等[10]分別采用可視化實驗測量和CFD 模擬的方式研究了離心力對于螺旋管內(nèi)兩相分布及相界面結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明受到重力和離心力的作用，液相會聚集在螺旋外側(cè)和底部， 而汽相則會聚集在螺旋內(nèi)側(cè)和頂部，造成螺旋管周向壁溫和局部傳熱系數(shù)的分布不均。Santini 等[11]研究了HCSG 傳熱管內(nèi)的單相與兩相壓降特性， 結(jié)果表明兩相摩擦壓降與流量的1.91 次冪成正比關(guān)系，證實了螺旋管彎曲會導致強烈的耗散效應。 Chen 等[12]實驗發(fā)現(xiàn)與直管存在顯著不同的是，螺旋管中過冷沸騰可以在其壁面平均溫度小于飽和溫度的情況下發(fā)生。 Hardik 等[13]利用紅外熱成像技術(shù)研究了螺旋曲率與汽-液密度比率對螺旋管兩相沸騰傳熱系數(shù)的影響規(guī)律。

圖1 螺旋管內(nèi)局部二次流示意圖[8]

鑒于螺旋管與直管通道在流動壓降、局部換熱系數(shù)分布、 沸騰起始點等熱工水力特性上存在較大差異，對于螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定特性的認知以及直管通道經(jīng)典流動不穩(wěn)定性理論對螺旋管的適用性成為研究者們關(guān)注的焦點。楊瑞昌等[14，15]以氟利昂12 為介質(zhì)實驗研究了3 根并聯(lián)螺旋蒸發(fā)管內(nèi)的兩相流動不穩(wěn)定行為， 獲得了并聯(lián)螺旋管內(nèi)密度波型脈動（DWO）的脈動特征及不穩(wěn)定邊界預測的經(jīng)驗關(guān)系式。Guo 等[16]實驗發(fā)現(xiàn)了水平螺旋管在中、低壓條件下存在的三種不穩(wěn)定性類型：密度波型脈動（DWO）、壓力降型脈動（PDO）和熱力脈動（THO），并擬合獲得描述DWO 發(fā)生邊界的關(guān)系式。 馮自平等[17]在此基礎上進一步研究發(fā)現(xiàn)低壓下DWO 的發(fā)生會削弱螺旋管傳熱能力，螺旋管內(nèi)脈動時均傳熱系數(shù)的最低值僅為穩(wěn)定工況下的10%左右。 朱宏曄等[18]通過建立與氦氣對流換熱的并聯(lián)螺旋管數(shù)值模型，研究了高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發(fā)生器內(nèi)發(fā)生的Ledinegg 流量漂移現(xiàn)象。

依托IRIS 小型堆國際研發(fā)項目，Papini 等[19]利用模擬HCSG 熱工水力行為的全尺寸實驗裝置研究了螺旋管特殊形狀對兩相不穩(wěn)定性發(fā)生邊界的影響，結(jié)果表明并聯(lián)螺旋管內(nèi)DWO 受過冷度的影響規(guī)律、脈動周期與輸運時間的關(guān)系和直管通道經(jīng)典理論存在明顯不同，指出螺旋離心力作用是造成這些差異的重要原因。 Papini 等考慮到螺旋管內(nèi)特殊的空泡分布及兩相壓降特性，認為采用與螺旋管等長度、等傾斜角度的直管模型來預測螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定邊界的方法存在較大誤差。

2 海洋條件下兩相流動不穩(wěn)定性的研究進展

與陸基核電廠不同，海上浮動核電站受海面風浪及自身機動的影響，會產(chǎn)生諸如起伏、搖擺等船體運動，造成反應堆系統(tǒng)空間位置的改變，并引入瞬變外力場作用。 一般認為，浮動核電站等船用核動力裝置在實海況運行時存在如圖2 所示的六自由度空間運動，這些運動形式對核動力系統(tǒng)主要產(chǎn)生兩方面的影響：一方面導致系統(tǒng)空間位置的改變，另一方面引入由附加加速度所致的瞬變外力場作用。由于系統(tǒng)空間位置的變化也可近似看作力場作用方向的改變，因此瞬變外力場作用是海洋條件影響核動力系統(tǒng)熱工水力特性的關(guān)鍵所在，其中以搖擺運動所致瞬變外力場的影響最為復雜典型且最受關(guān)注。

結(jié)合馬健等[20]、Yan 等[21]和程坤等[22]針對各時期海洋條件熱工水力特性研究的綜述分析可知，搖擺會造成加熱通道內(nèi)流動阻力、沸騰起始點、換熱系數(shù)、兩相流型、汽泡行為等熱工水力特性的改變，而搖擺瞬變外力場所引起的冷卻劑非穩(wěn)態(tài)流動波動是導致上述熱工水力特性改變的最主要原因。

圖2 海洋條件下船體六自由度運動示意圖

在搖擺瞬變外力場作用下的兩相流動不穩(wěn)定性研究方面，譚思超等[23，24]實驗發(fā)現(xiàn)搖擺會造成圓管通道內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定起始點的提前，搖擺條件下特有的波谷型脈動會與密度波脈動會發(fā)生疊加耦合，加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 Guo 等[25]研究發(fā)現(xiàn)搖擺條件下并聯(lián)圓管通道內(nèi)存在兩個分別位于高含氣率區(qū)和低含氣率區(qū)的不穩(wěn)定區(qū)域。 Wang 等[26]研究了搖擺運動對于高壓自然循環(huán)工況下棒束通道流動不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性會隨著搖擺周期和幅值的增加而減小。Yu 等[27]實驗獲得了搖擺條件下窄矩形通道內(nèi)強迫循環(huán)流動不穩(wěn)定性的主要類型及演化規(guī)律。Tang 等[28]發(fā)現(xiàn)搖擺運動對于并聯(lián)矩形通道強迫循環(huán)流動不穩(wěn)定性界限功率的影響較小。

由于瞬變外力場作用下兩相流動不穩(wěn)定性所表現(xiàn)出的強非線性特點，研究者們嘗試將非線性分析方法和混沌理論應用到該領域的研究中。 Guo 等[29]發(fā)現(xiàn)采用快速傅里葉變換（FFT）方法可有效評估海洋條件對并聯(lián)通道不穩(wěn)定性的影響。 Zhang 等[30]運用混沌時間序列分析的方法研究了搖擺運動系統(tǒng)的流量脈動混沌特性與演變機理。

由以上綜述可以看出，當前該領域相關(guān)研究主要聚焦于搖擺條件下堆芯燃料通道（如直管、矩形通道、棒束通道等）內(nèi)的流動不穩(wěn)定特性，尚無關(guān)于并聯(lián)螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性受瞬變外力場影響機制研究的公開文獻報道。

3 海洋條件潛在影響分析

根據(jù)目前對于搖擺瞬變外力場影響效應與靜態(tài)條件下螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定特性的認知，可以定性推測搖擺瞬變外力場對并聯(lián)螺旋管內(nèi)的兩相流動的潛在影響：

（1）并聯(lián)螺旋管內(nèi)兩相流體受瞬變外力場的驅(qū)迫作用會產(chǎn)生不同程度的非穩(wěn)態(tài)流量脈動，造成流動阻力、沸騰傳熱、兩相流型轉(zhuǎn)換等熱工水力特性改變，進而影響兩相流動不穩(wěn)定起始點位置和發(fā)生邊界。

（2）螺旋管內(nèi)不同位置處兩相流體所受搖擺瞬變外力場的切向分力會周期性增強/削弱螺旋離心力的作用效果，如圖3 所示,，造成管內(nèi)局部二次流方向和強度的瞬態(tài)變化；特別對于兩相流體來說，由于汽、液相間存在質(zhì)量流速、密度等差異，兩者所受的離心力與搖擺附加外力的作用程度不同， 可能會造成管內(nèi)復雜的相場時空分布特性，引發(fā)局部沸騰加劇等現(xiàn)象發(fā)生，對螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定誘發(fā)機理造成潛在影響。

圖3 搖擺條件下螺旋管與直管通道受力分析對比

（3）并聯(lián)螺旋管中搖擺瞬變外力場驅(qū)迫造成的同相流量脈動與兩相熱致流動不穩(wěn)定性造成的反相管間脈動之間會發(fā)生非線性的疊加耦合，引發(fā)更為復雜劇烈的熱工參數(shù)脈動行為，進一步增加螺旋管結(jié)構(gòu)損傷的潛在風險。

基于以上定性推測，可梳理形成如圖4 所示瞬變外力場作用下并聯(lián)螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性的各潛在影響因素間的內(nèi)在關(guān)系。 可以看出，搖擺瞬變外力場和螺旋管的離心力是影響搖擺運動下并聯(lián)螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定特性的兩個核心因素，研究明確這兩種力場的耦合作用關(guān)系是揭示搖擺運動對螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性影響機制、實現(xiàn)不穩(wěn)定發(fā)生邊界準確預測的關(guān)鍵所在。

圖4 瞬變外力場對螺旋管兩相流動不穩(wěn)定性的潛在影響關(guān)系

4 結(jié)論

本文基于國內(nèi)外公開文獻，梳理總結(jié)了靜態(tài)條件下螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性的研究進展，定性分析了海洋條件對于螺旋管內(nèi)兩相流動穩(wěn)定性的潛在影響。 對于研究現(xiàn)狀的總結(jié)和未來研究的建議如下：

（1）螺旋管所特有的離心力作用是影響其流動穩(wěn)定性的一個不可忽略的重要因素?，F(xiàn)有研究形成了對于靜態(tài)條件下螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定宏觀現(xiàn)象特征和關(guān)鍵熱工參數(shù)影響規(guī)律的基本認知，但對于螺旋離心力影響兩相流動不穩(wěn)定性的具體程度和內(nèi)在機理的認識仍存在較大不足。未來需針對螺旋離心力對兩相流動不穩(wěn)定性的影響程度及影響機理開展深入的研究。

（2）海洋條件所引入的外力場效應對于船用螺旋管直流蒸汽發(fā)生器的潛在影響不可忽略，當前相關(guān)研究的開展極為有限。 基于定性分析，瞬變外力場和螺旋離心力是影響海洋條件下螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定特性的兩個重要因素，建議未來可從研究這兩種力場耦合作用關(guān)系的角度出發(fā)，揭示海洋條件對螺旋管內(nèi)兩相流動不穩(wěn)定性影響機制。