單棒表面沸騰危機(jī)現(xiàn)象可視化研究

郭俊良，劉 偉，桂 淼，劉 揚(yáng)，孔煥俊，單建強(qiáng)

(1.西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中國核動力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

臨界熱流密度(CHF)是反應(yīng)堆的重要安全運(yùn)行限值，深入研究反應(yīng)堆燃料棒束CHF變化特性，建立棒束CHF高精度預(yù)測模型，對反應(yīng)堆的合理設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行具有重要的意義[1-3]。可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在沸騰行為的研究中十分普遍。近幾年，CHF機(jī)理研究的發(fā)展方向是利用可視化技術(shù)對加熱面附近局部沸騰結(jié)構(gòu)和氣泡行為進(jìn)行更加細(xì)致的觀測與分析，對現(xiàn)有CHF機(jī)理模型進(jìn)行驗(yàn)證和完善。然而，由于現(xiàn)有的可視化實(shí)驗(yàn)圖像質(zhì)量較差，定性和定量結(jié)果較少，導(dǎo)致現(xiàn)有的CHF機(jī)理模型的背景薄弱。同時(shí)，現(xiàn)有可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致性也給CHF機(jī)理模型的建立帶來了挑戰(zhàn)。到目前為止，即使是簡單的圓管通道，偏離核態(tài)沸騰(DNB)型CHF仍存在爭議[4-6]。Mattson等[7]在水平方形通道內(nèi)使用R-113進(jìn)行了CHF可視化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，發(fā)生沸騰危機(jī)的位置同時(shí)存在膜態(tài)沸騰和核態(tài)沸騰兩種換熱模式，加熱表面形成了扁平的間歇性蒸汽層。Galloway等[8]以FC-87為工質(zhì)，在低壓矩形通道內(nèi)進(jìn)行CHF可視化實(shí)驗(yàn)，在接近沸騰危機(jī)時(shí)觀察到界面波的產(chǎn)生，液體與受熱表面之間的潤濕特性發(fā)生周期性的變化，當(dāng)波動面不能有效地帶走加熱表面的熱量沸騰危機(jī)就會發(fā)生。Chang等[9]在矩形通道中使用常壓水進(jìn)行了CHF可視化實(shí)驗(yàn)，觀察到過熱液層、氣泡層和液芯三層結(jié)構(gòu)。盡管關(guān)于CHF可視化的研究已有了一些結(jié)果，但仍沒有完全理解DNB型沸騰危機(jī)觸發(fā)的機(jī)制。這是由于與大量CHF研究相比，可視化實(shí)驗(yàn)研究相對較少，且大多數(shù)可視化研究是在低、中壓下的環(huán)形通道或矩形通道中進(jìn)行的[10-11]。目前對于典型棒束通道(3×3棒束或5×5棒束)的可視化研究很少，因此有必要開展單棒通道內(nèi)CHF可視化研究。

此外，為提高CHF，通常會在定位格架上裝有攪混翼葉片，從而提高反應(yīng)堆的安全閾值。一般認(rèn)為，攪混翼葉片增強(qiáng)CHF的機(jī)理是促進(jìn)流體的湍流混合、誘導(dǎo)旋流或側(cè)向流動。Chung等[12]研究了在低壓低質(zhì)量流速條件下定位格架和攪混翼葉片對環(huán)形通道和圓管內(nèi)CHF的影響：當(dāng)質(zhì)量流速高于閾值時(shí)CHF增加；當(dāng)質(zhì)量流速低于閾值時(shí)CHF不受影響甚至降低。將液滴引入加熱表面(使CHF增加)和液膜破裂(使CHF降低)這兩種作用認(rèn)為是主要作用機(jī)理。然而，他們研究針對的只是干涸(Dryout)型沸騰危機(jī)，而對于壓水堆工況下的DNB型沸騰危機(jī)，攪混翼葉片的增強(qiáng)機(jī)理尚不明確。

由于攪渾翼葉片可改變棒表面附近的氣泡行為，因此本文對攪混翼葉片對氣泡行為的影響進(jìn)行可視化研究，這有助于理解攪混翼葉片的強(qiáng)化機(jī)理。

1 可視化實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究在西安交通大學(xué)氟利昂可視化CHF實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。氟利昂(R-134a)作為流體工質(zhì)從儲存罐中流出后經(jīng)球閥和過濾器進(jìn)入磁力泵中。從磁力泵流出的工質(zhì)一部分通過旁路回到儲存罐，另一部分經(jīng)過氣動閥進(jìn)入預(yù)熱段和實(shí)驗(yàn)段。穩(wěn)壓器為氮?dú)馐椒€(wěn)壓器，可通過調(diào)節(jié)氮?dú)獾某錃饬靠刂葡到y(tǒng)的壓力。預(yù)熱段通過交流電源加熱，使工質(zhì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)工況所需的進(jìn)口溫度。預(yù)熱段出口裝有直徑3 mm的T型鎧裝熱電偶以實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)熱段出口溫度。實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口裝有調(diào)節(jié)閥，以防止低流量下發(fā)生流動不穩(wěn)定性。工質(zhì)從實(shí)驗(yàn)段出口流出后進(jìn)入套管式換熱器，在換熱器中被冷卻到常溫回到儲存罐。儲存罐上裝有安全閥，保障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全。

1——儲存罐；2——過濾器；3——離心泵；4——主路閥；5——旁路閥；6——質(zhì)量流量計(jì)；7——穩(wěn)壓器；8——氮?dú)馄浚?——預(yù)熱段；10——實(shí)驗(yàn)段；11——冷凝器；12——冷卻塔；13——離心泵；P——壓力測點(diǎn)；T——溫度測點(diǎn)圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test facility

1.2 實(shí)驗(yàn)段

為了模擬壓水堆堆芯棒束的局部區(qū)域，設(shè)計(jì)了1個(gè)單棒方形通道的實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)段橫截面如圖2所示，在19 mm×19 mm的不加熱方形通道內(nèi)放置1根外徑為9.5 mm的直接加熱棒。加熱棒的上下極銅板直接與直流電源連接，實(shí)現(xiàn)加熱棒的均勻釋熱。流道的水力當(dāng)量直徑De為10.97 mm，與目前典型壓水堆典型柵元的水力當(dāng)量直徑相同。加熱棒材料為Inconel 690，壁厚為1 mm。實(shí)驗(yàn)段的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)段中心加熱棒有效加熱長度為1 344 mm，包括300 mm的入口段和兩個(gè)522 mm的跨距。實(shí)驗(yàn)段前后的可視化窗口可觀察范圍包括從第2個(gè)跨距開始位置到有效加熱長度末端位置。

實(shí)驗(yàn)段格架位置如圖3所示。格架1有兩種形式，一種為圖3右邊所示的帶攪混翼葉片的格架，另一種是無攪混翼葉片的簡單支撐格架，用來對比并探究攪混翼對氣泡行為及CHF的影響。格架2為無攪混翼葉片的簡單支撐格架。

實(shí)驗(yàn)段的測量儀器布置如圖4所示。在靠近實(shí)驗(yàn)段出口的4個(gè)軸向位置布有6個(gè)K型鎧裝熱電偶以監(jiān)測沸騰危機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)單棒表面壁溫或溫升速率達(dá)到設(shè)定值(Tmax=150 ℃，δT/δt=5 ℃/s)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動識別沸騰危機(jī)并切斷電源，以防止加熱棒損壞。為了探究流動沸騰棒表面氣泡行為，在實(shí)驗(yàn)段出口的前后兩側(cè)裝有長為522 mm的高硼硅玻璃窗口。此外，實(shí)驗(yàn)還配備了高速攝像機(jī)、微距鏡頭、提供前光的光纖光源、提供背光的LED光源和計(jì)算機(jī)軟件，共同構(gòu)成可視化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)段和預(yù)熱段均采用足夠厚的保溫棉包裹，與周圍環(huán)境的熱損失小于加熱功率的2%。

圖4 可視化系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of visualization system

1.3 實(shí)驗(yàn)工況及不確定度

實(shí)驗(yàn)工況按照壓水堆典型參數(shù)范圍選取，并通過目前廣泛使用的流體?；╗13]轉(zhuǎn)換為等效的R-134a實(shí)驗(yàn)工況。雖然流體?；]有從CHF機(jī)理層面被證明是可行的，但能在一定程度上表征高壓水工況下的CHF特性。R-134a實(shí)驗(yàn)工況及等效水參數(shù)列于表1。實(shí)驗(yàn)各參數(shù)的不確定度列于表2。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental condition

表2 實(shí)驗(yàn)不確定度分析Table 2 Uncertainty analysis of experiment

本研究將對上述R-134a實(shí)驗(yàn)工況分別開展帶攪混翼格架的全跨實(shí)驗(yàn)和不帶攪混翼葉片的光棒實(shí)驗(yàn)，通過可視化的手段探究經(jīng)過攪混翼和沸騰危機(jī)時(shí)的棒表面氣泡行為。

2 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 出口位置的流動沸騰現(xiàn)象

圖5為光棒實(shí)驗(yàn)中觀察到的發(fā)生沸騰危機(jī)時(shí)的典型流動沸騰現(xiàn)象。沸騰危機(jī)發(fā)生過程是一個(gè)快速的瞬態(tài)過程并伴隨著壁溫飛升。當(dāng)熱流密度達(dá)到某一值，再次增加熱流密度壁溫將不可控的迅速升高，此時(shí)的熱流密度記為CHF，壁溫飛升曲線如圖6所示。在臨近發(fā)生沸騰危機(jī)時(shí)，以圖5、6的工況為例(p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃，臨界含氣率xc=-0.047)，內(nèi)棒表面的壁溫在82 ℃左右，壁面溫度以2 ℃的幅度周期波動。此時(shí)對應(yīng)圖5a，可視化觀察到流型屬于典型的泡狀流動，大量的氣泡重疊在一起并覆蓋到加熱壁表面形成氣泡層，工質(zhì)處于核態(tài)沸騰階段。由于氣泡層的透光性較差，前光照射到氣泡層上的絕大部分光線會在氣泡表面反射后進(jìn)入到高速攝像機(jī)鏡頭中，在可視化圖像中呈現(xiàn)亮色。除氣泡層外，在圖5a中還觀察到加熱棒表面出現(xiàn)細(xì)小的條狀黑帶(紅色框處)。黑帶為內(nèi)棒表面，是由于內(nèi)棒表面局部的換熱模式轉(zhuǎn)變造成的：臨近沸騰危機(jī)時(shí)，內(nèi)棒表面氣泡的壅塞阻礙了主流流體通過湍流脈動進(jìn)入到加熱壁面。由于過密的氣泡層無法帶走壁面熱流，氣泡層內(nèi)的液體沸騰使其連成氣膜，氣膜的透光性很好，光線進(jìn)入透過氣膜到達(dá)棒表面并反射回來，可清晰地看到棒表面。交替的氣膜從內(nèi)棒表面經(jīng)過是造成壁溫波動的原因，但由于其他部分的棒表面處于核態(tài)沸騰階段，壁溫并未不可控的驟升。不同實(shí)驗(yàn)工況觀察到，黑帶出現(xiàn)的起始位置(或稱膜態(tài)沸騰起始位置)有一定的隨機(jī)性，這是由于氣泡運(yùn)動的隨機(jī)性造成的。

前光拍攝，p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃；xc=-0.047時(shí)間：a——t=17.67 s；b——t=18.07 s；c——t=18.37 s；d——t=19.52 s；e——t= 20.51 s；f——t=20.95 s圖5 發(fā)生沸騰危機(jī)時(shí)的典型流動沸騰現(xiàn)象Fig.5 Typical flow boiling phenomena at boiling crisis

此時(shí)，再增加實(shí)驗(yàn)段加熱功率(大約增加原加熱功率的1%)，壁溫將不可控的驟升。壁溫從82 ℃迅速升到150 ℃(觸發(fā)切斷電源)，整個(gè)過程持續(xù)了3 s左右，平均溫升速率為14 ℃/s，即發(fā)生CHF現(xiàn)象。此時(shí)的熱流密度即為該工況下的CHF。在壁溫飛升過程中，對應(yīng)圖5b～f，黑帶逐漸變寬并沿內(nèi)棒表面向周向擴(kuò)展直至棒表面形成穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰，完成核態(tài)沸騰階段向膜態(tài)沸騰階段的轉(zhuǎn)變，即發(fā)生沸騰危機(jī)現(xiàn)象。

前光拍攝，p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃圖6 發(fā)生沸騰危機(jī)時(shí)壁溫飛升曲線Fig.6 Typical wall temperature curve at boiling crisis

2.2 定位格架對氣泡運(yùn)動的影響

本研究通過可視化的方式觀察帶攪混翼葉片的定位格架對氣泡運(yùn)動行為的影響，這有助于解釋不同條件對CHF的影響規(guī)律。

圖7為不同熱流密度下定位格架前后的氣泡行為。定位格架對氣泡運(yùn)動的影響可分為下部(條帶-彈簧)和上部(攪混翼)的影響。當(dāng)熱流密度為55%CHF時(shí)，此時(shí)氣泡直徑較小，氣泡主要集中在棒表面向上運(yùn)動，從格架的條帶和彈簧內(nèi)部穿過而未被割裂。當(dāng)熱流密度為80%CHF時(shí)，空泡份額增大，格架上游的氣泡明顯增多。此外，氣泡由于聚合的作用，直徑也隨之變大。在經(jīng)過條帶-彈簧時(shí)，大氣泡被割裂成細(xì)小氣泡，使格架下游的氣泡尺寸變小。在經(jīng)過攪混翼時(shí)，傾斜的葉片會給氣泡和液體施加一個(gè)作用力，水平方向的分力使氣泡和液體橫向運(yùn)動。橫向運(yùn)動的氣泡和液體增加了內(nèi)棒表面附近的湍流攪混速率。內(nèi)棒周圍4個(gè)不同角度的葉片對氣泡和液體起到引流、導(dǎo)向的作用，使之圍繞內(nèi)棒呈螺旋狀上升。由圖7可看出，經(jīng)過帶攪混翼葉片的定位格架后，氣泡被分散到遠(yuǎn)離內(nèi)棒表面的區(qū)域。氣泡進(jìn)入到過冷的主流區(qū)隨即湮滅。當(dāng)熱流密度為96%CHF時(shí)，上述現(xiàn)象更加明顯。

前光拍攝，p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃第1行為攪混翼格架的下游，第2行為攪混翼格架的上游圖7 格架及其攪混翼對氣泡行為的影響Fig.7 Influence of grid and mixing-vane on bubble behavior

2.3 定位格架對CHF的影響

不同質(zhì)量流速下臨界含氣率(實(shí)驗(yàn)段出口的熱力學(xué)含氣率)與CHF的關(guān)系如圖8所示。圖8中工況的壓力為1.8 MPa，并比較了帶攪混翼葉片的格架和無攪混翼葉片的簡單支撐格架兩種實(shí)驗(yàn)段形式的CHF，即攪混翼葉片對CHF的影響。總的來說，不論有無攪混翼葉片CHF均隨臨界含氣率的增加而減小，攪混翼葉片對CHF的影響規(guī)律在高質(zhì)量流速和低質(zhì)量流速下有明顯不同。當(dāng)質(zhì)量流速為600 kg/(m2·s)時(shí)，與無攪混翼葉片相比CHF幾乎沒有增加；當(dāng)質(zhì)量流速增加到1 200 kg/(m2·s)和1 800 kg/(m2·s)時(shí)，等臨界含氣率條件下，帶攪混翼葉片的CHF明顯大于無攪混翼葉片的CHF，CHF得到了強(qiáng)化。這種強(qiáng)化趨勢可由2.2節(jié)中可視化結(jié)果解釋：實(shí)驗(yàn)段為單棒方形通道，外壁的方腔未加熱。由于冷壁效應(yīng)的存在，氣泡聚集在內(nèi)加熱棒表面，流道焓的分布是不均勻的(內(nèi)棒表面焓最高，外璧方腔表面的焓最低)。在經(jīng)過帶攪混翼葉片的定位格架時(shí)，葉片的橫向作用力使氣泡和液體橫向運(yùn)動。這種作用一定程度的增加了氣泡層與主流區(qū)之間的湍流攪混速率，使通道內(nèi)焓的分布更加均勻。此外，葉片促進(jìn)氣泡的脫離，加強(qiáng)壁面與流體之間的換熱，從而強(qiáng)化了CHF。

圖8 不同質(zhì)量流速下攪混翼對CHF的影響Fig.8 Effect of mass flux on CHF by mixing-vane

經(jīng)過攪混翼葉片強(qiáng)化后的湍流攪混速率會沿著流動方向衰減(對應(yīng)氣泡層重新分布)。初始的強(qiáng)化量與雷諾數(shù)呈正相關(guān)；衰減速率與雷諾數(shù)呈正相關(guān)，與距定位格架的距離呈負(fù)相關(guān)[14-15]。因此，在低質(zhì)量流速下經(jīng)過定位格架后增強(qiáng)的湍流攪混速率衰減速率很快，而格架距離出口位置相對較長，所以CHF并未得到強(qiáng)化。

圖9給出不同壓力下質(zhì)量流速分別為600 kg/(m2·s)和1 800 kg/(m2·s)時(shí)的攪混翼葉片對CHF的影響。結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量流速為600 kg/(m2·s)時(shí)，任何壓力下攪混翼葉片對CHF均未起到強(qiáng)化作用。但質(zhì)量流速為1 800 kg/(m2·s)時(shí)，在所有壓力下均可觀察到CHF的增強(qiáng)，且CHF的強(qiáng)化比隨壓力的增加而略有增加。

質(zhì)量流速：a——600 kg/(m2·s)；b——1 800 kg/(m2·s)圖9 不同壓力下攪混翼對CHF的影響Fig.9 Effect of pressure on CHF by mixing-vane

3 結(jié)論

本文以R-134a為工質(zhì)，在垂直單棒方形通道中進(jìn)行了CHF實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工況由流體?；ú⒔Y(jié)合典型壓水堆運(yùn)行工況確定。通過可視化的手段，觀察發(fā)生CHF過程中的現(xiàn)象以及定位格架對CHF增強(qiáng)的影響，所得結(jié)論如下。

1) 觀察到單棒方形通道內(nèi)完整的沸騰危機(jī)現(xiàn)象。臨近沸騰危機(jī)時(shí)，內(nèi)棒表面的氣泡壅塞造成局部的膜態(tài)沸騰，壁溫處于波動狀態(tài)，膜態(tài)沸騰起始位置具有一定的隨機(jī)性；發(fā)生沸騰危機(jī)過程中，氣膜逐漸變寬并沿內(nèi)棒表面向周向擴(kuò)展直至棒表面形成穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰，完成核態(tài)沸騰階段向膜態(tài)沸騰階段的轉(zhuǎn)變。

2) 通過可視化的手段觀察到定位格架對氣泡行為的影響，主要體現(xiàn)在條帶-彈簧對氣泡的撕裂作用和攪混翼葉片引起的旋流。大氣泡被撕裂成小氣泡破壞了氣泡層的發(fā)展，攪混翼葉片引起的旋流增加了內(nèi)棒表面附近的湍流攪混速率，這兩種作用使得CHF強(qiáng)化。攪混翼葉片對CHF的增強(qiáng)作用隨質(zhì)量流速和壓力的增加而增加，但低質(zhì)量流速下，CHF強(qiáng)化作用不明顯。