空泡份額實驗教學與實踐

李遠杰 李佳

[摘 要] 空泡份額實驗是反應(yīng)堆熱工的基礎(chǔ)性實驗，該實驗是基于兩相流實驗教學平臺，學生通過分組的方式自主利用放射源及高速相機兩種方法的基本原理對空泡份額進行測量，同時開發(fā)實驗后處理的計算分析程序，對比分析實驗結(jié)果，同時能夠根據(jù)原理分析出在實驗過程中可能出現(xiàn)的誤差，并進一步開展系統(tǒng)性的誤差分析。通過空泡份額自主實驗教學的探索，極大地提高了學生實驗的積極性及興趣，為與反應(yīng)堆工程相關(guān)的實驗教學的開展提供了借鑒。

[關(guān)鍵詞] 空泡份額;實驗教學;自主設(shè)計

[基金項目] 2020年度安徽省教學研究項目“超臨界二氧化碳自主創(chuàng)新實驗研究”（2020jyxm2265）;2016年度安徽省教學研究項目“核科學與核技術(shù)專業(yè)實驗教學體系研究”（2016jyxm1148）;2020年度教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（WK2140000017）

[作者簡介] 李遠杰（1984—），男，安徽無為人，博士，中國科學技術(shù)大學核科學與核技術(shù)教學實驗中心工程師，主要從事反應(yīng)堆工程研究。

[中圖分類號] G482? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）27-0101-04? ?[收稿日期] 2021-02-01

氣—液兩相流廣泛存在于核能、電廠、石油、化工、制藥等領(lǐng)域，并且包含了非常復(fù)雜的流動機理[1]。在兩相流中，氣泡的交混增加了氣—液兩相之間質(zhì)量、能量和動量的交換。不同于單相流動，由于氣泡的存在使得氣—液兩相流的流動非常復(fù)雜[2]。氣—液兩相流中空泡份額的分布直接影響流動的特性。準確測量兩相流中的空泡分布，揭示空泡分布的機理對兩相流模型的發(fā)展至關(guān)重要。

空泡份額在反應(yīng)堆兩相流的研究中處于重要地位。汽—液兩相流的空泡份額對核動力裝置的設(shè)計是非常重要的，沸水堆的再循環(huán)倍率、冷卻劑和慢化劑密度、堆芯中子動力學和反應(yīng)堆的穩(wěn)定性都與空泡份額有密切關(guān)系?，F(xiàn)代壓水堆的冷卻劑在堆芯出口位置整體處于過冷狀態(tài)，但允許堆芯最熱通道存在欠熱或飽和泡核沸騰，由氣—液兩相流動引起的堆芯CHF也非常引人關(guān)注，在過渡工況和事故工況下，壓水堆堆芯和一回路系統(tǒng)都可能發(fā)生沸騰工況，這同樣要求確定其空泡份額[3]。

子通道分析程序是反應(yīng)堆熱工水力分析和設(shè)計的重要工具之一，通常用于研究反應(yīng)堆堆芯在各種設(shè)計工況下冷卻劑的流動、傳熱特性和熱工裕度，該程序在反應(yīng)堆熱工水力特性設(shè)計和熱工安全性能分析中具有不可替代的作用。在這些反應(yīng)堆熱工分析中，臨界熱流密度（CHF）是重要的限制性熱工參數(shù)，它的大小直接影響反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟性。因此，在安全評審中，子通道分析程序能否準確預(yù)測CHF值進而為安全分析提供依據(jù)具有十分重要的意義，空泡份額是描述反應(yīng)堆堆芯氣—液兩相流動的重要參量之一，無論是堆芯子通道壓降還是堆芯CHF，都以準確獲取空泡份額作為首要條件，因此子通道程序分析程序能否準確預(yù)測堆芯或換熱設(shè)備中的空泡份額分布，對于堆芯CHF的預(yù)測具有十分重要的意義。

空泡份額又稱空泡率、截面孔隙率、孔隙率或截面含氣率，指兩相混合物流經(jīng)任一截面時氣相所占的面積A（v）與通道截面積A之比。

空泡份額反應(yīng)任意截面上的結(jié)構(gòu)分布變化，即氣相占有的流道截面份額。通?？张莘蓊~是一個瞬時量，與體積含氣率有很大區(qū)別，體積含氣率是一個積累量，與時間的積累有關(guān)[2，3]。

開展空泡份額基礎(chǔ)實驗，通過對各種流型的分析，以及和空泡份額之間的對應(yīng)關(guān)系，有助于學生對反應(yīng)堆熱工理論知識的理解，并進一步提高學生的分析能力和實踐能力。為了更好地開展空泡份額基礎(chǔ)實驗，中國科學技術(shù)大學核科學技術(shù)實驗教學中心為了提升學生的參與感，實驗前在班級采取自由組隊，4人一組，選1人為組長，組長統(tǒng)籌安排實驗的開展及組員的分工，主要包括空泡份額測量的原理、實驗的開展、程序的編寫、數(shù)據(jù)的分析及誤差的來源分析。實驗過程中要求采用兩種方法對至少3種流型下的空泡份額開展測量。

一、空泡份額實驗教學平臺

空泡份額實驗平臺主要包括主系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、實驗段四部分。

1.主系統(tǒng)，主要包括整個氣—液循環(huán)回路，具體包括水箱、泵、流量計、閥門、管道、空氣壓縮機等，提供可觀察的穩(wěn)定的回路平臺，并在回路平臺上開展不同的流型實驗。

2.采取的測量方法主要包括直接法和間接法。直接法利用高速相機觀察實驗段的流動特性，根據(jù)不同的流動特性記錄實驗中的氣泡數(shù)量及不同的占比。間接法采取放射源測量，利用放射源測空泡份額的換算關(guān)系及數(shù)據(jù)處理來間接換算空泡份額。

3.控制系統(tǒng)主要包括對整個氣—液兩相流的回路進行流量及壓力進行控制調(diào)節(jié)，使得回路中出現(xiàn)不同的流型。

4.實驗段在這個回路中包括水平實驗段和豎直實驗段，水平實驗段和豎直實驗段在回路中的特性及流型有較大的區(qū)別，主要是重力及浮力的影響比較大，實驗中要求學生針對水平實驗段開展實驗。

實驗過程中，采取4人一組進行分工合作，完成整個實驗實踐過程及實驗報告內(nèi)容。主要包括實驗的設(shè)計、實驗的開展、數(shù)據(jù)的分析及實驗結(jié)果的處理，實驗結(jié)果處理需要各組學生自主開發(fā)程序進行分析。實驗要求各小組在實驗前編寫程序并使程序有效運行后方可開展實驗。學生開展的實驗情況如圖1所示。

二、實驗流程

學生在實驗過程中拿到放射源后，將放射源放置在實驗段水管的下方，通過墊加支撐件使放射源緊貼住水管，正對著探測器，從而減小實驗測量的誤差。打開能譜測量系統(tǒng)程序，記錄在不同氣液混合比的情況下1分鐘內(nèi)探測器接收到的γ射線的讀數(shù)，因為γ射線的強度正比于全能峰處的γ光子計數(shù)，為了減小誤差，選取全能峰處的計數(shù)進行記錄。

先關(guān)閉進水閥門，打開進氣閥門，使水管內(nèi)充滿氣體，等水管內(nèi)部流態(tài)穩(wěn)定后，記錄1分鐘內(nèi)全能峰處的計數(shù)，連續(xù)測量多次，取平均數(shù)。