郭雪晴，孫中寧，張東洋

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

細(xì)長(zhǎng)自然循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

郭雪晴，孫中寧，張東洋

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

以水為工質(zhì)，在常壓下對(duì)擁有細(xì)長(zhǎng)回路和較長(zhǎng)水平段的自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究，并以典型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（P＝1.46kW）為例分析該系統(tǒng)的瞬態(tài)運(yùn)行特性和不穩(wěn)定性機(jī)理。結(jié)果表明：阻力系數(shù)較大的細(xì)長(zhǎng)自然循環(huán)回路難以產(chǎn)生有效的單相自然循環(huán)，只能通過(guò)間歇性沸騰和兩相流動(dòng)將熱量導(dǎo)出。這是因當(dāng)回路阻力較大時(shí)，過(guò)冷沸騰產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力無(wú)法驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生有效的自然循環(huán)，而只有當(dāng)加熱段內(nèi)流體發(fā)生飽和沸騰時(shí)才能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)。較大的回路阻力和沸騰過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)降壓閃蒸是細(xì)長(zhǎng)自然循環(huán)系統(tǒng)難以維持穩(wěn)定的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓頭從而產(chǎn)生間歇性沸騰和強(qiáng)烈流動(dòng)不穩(wěn)定性的根本原因。

自然循環(huán)；閃蒸；流動(dòng)不穩(wěn)定性

自然循環(huán)在先進(jìn)核反應(yīng)堆中得到了重要的應(yīng)用［1-2］，其中可靠的非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)是先進(jìn)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。非能動(dòng)安全殼的熱量導(dǎo)出方式與安全殼類(lèi)型有關(guān)［3］，對(duì)由鋼殼和混凝土屏蔽廠房組成的安全殼，嚴(yán)重事故時(shí)內(nèi)部熱量通過(guò)鋼殼導(dǎo)熱和外表面水膜蒸發(fā)導(dǎo)出［4］。但這類(lèi)安全殼通常造價(jià)較高，且缺乏建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［3］。歐洲用戶要求（EUR）中建議采用雙層混凝土安全殼［5］，并在歐洲和韓國(guó)得到了應(yīng)用［6］。由于混凝土導(dǎo)熱能力較差，因此需設(shè)計(jì)1套額外的熱量導(dǎo)出系統(tǒng)。考慮到安全殼內(nèi)部系統(tǒng)和設(shè)備較多，空間布置較為復(fù)雜，熱量導(dǎo)出系統(tǒng)不僅需繞開(kāi)這些系統(tǒng)和設(shè)備，還要穿過(guò)較厚的安全殼壁，因此熱量導(dǎo)出回路可能較長(zhǎng)，且中間存在一定長(zhǎng)度的水平段，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。而目前大多自然循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)特性研究均以沸水堆為對(duì)象［7-9］，通常管路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且不存在長(zhǎng)水平段，其流動(dòng)特性不能直接用于上述復(fù)雜系統(tǒng)。因此有必要對(duì)這種具有細(xì)長(zhǎng)回路和較長(zhǎng)水平段的開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行研究，為非能動(dòng)熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)回路

實(shí)驗(yàn)回路由加熱段、上升段、下降段、水箱及測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中水箱上部氣空間與大氣連通。在上升段和下降段各設(shè)計(jì)了兩段水平段，分別長(zhǎng)450mm和4 500mm，總的長(zhǎng)徑比約3 120。實(shí)驗(yàn)段采用電加熱，利用自耦變壓器對(duì)加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，其有效加熱長(zhǎng)度為1.3m，管內(nèi)徑為20mm。為對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行可視化觀察，減少回路中的散熱損失，除實(shí)驗(yàn)段外其余管道均采用雙層玻璃套管。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水。實(shí)驗(yàn)時(shí)在水中加入示蹤劑以觀察回路中流體的流動(dòng)狀態(tài)。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路示意圖Fig.1 Scheme of experimental loop

在下降段入口、加熱段入口和出口及上升段出口水平段分別布置了溫度測(cè)點(diǎn)T1、T2、T3和T4，使用外徑為0.3mm的鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測(cè)量。在加熱段入口水平段安裝壓力傳感器用以監(jiān)測(cè)整個(gè)循環(huán)回路的壓力波動(dòng)情況。溫度和壓力信號(hào)均通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采樣周期為0.1s。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先向回路中注入適量的水，使水箱內(nèi)的液面剛好淹沒(méi)上升段出口。再將功率調(diào)節(jié)至1kW對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行加熱，使系統(tǒng)在兩相流動(dòng)沸騰條件下運(yùn)行一段時(shí)間，以除去溶解在水中和吸附在管道壁面的空氣。然后停止加熱，待流體溫度降至常溫，再用設(shè)定的恒定功率對(duì)系統(tǒng)加熱。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄系統(tǒng)中溫度和壓力隨時(shí)間的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)特性

典型的系統(tǒng)啟動(dòng)特性示于圖2。從圖2可看出，這種細(xì)長(zhǎng)的低壓自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程表現(xiàn)為周期性的間歇振蕩流動(dòng)，振蕩周期和振幅隨時(shí)間發(fā)生較大的變化。在啟動(dòng)初期，流體溫度接近常溫，加熱段內(nèi)流體達(dá)到當(dāng)?shù)仫柡蜏囟人璧臅r(shí)間較長(zhǎng)，間歇振蕩周期也相對(duì)較長(zhǎng)，上升段測(cè)點(diǎn)流體的溫度升幅達(dá)到近95℃。隨著加熱不斷進(jìn)行，流體溫度逐漸升高，1個(gè)周期內(nèi)的沸騰等待時(shí)間變短，振蕩周期逐漸減小，溫度和壓力的波動(dòng)幅度也相應(yīng)減小。最后系統(tǒng)的流動(dòng)維持穩(wěn)定的周期性振蕩過(guò)程，周期約為59s。

圖2 P＝1.46kW時(shí)典型的啟動(dòng)過(guò)程Fig.2 Typical startup process at P＝1.46kW

在整個(gè)過(guò)程中，流體產(chǎn)生間歇式振蕩是由回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。由于自然循環(huán)回路細(xì)長(zhǎng)，阻力系數(shù)很大，單相狀態(tài)時(shí)冷、熱管內(nèi)流體的密度差無(wú)法驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生明顯的循環(huán)流動(dòng)。只有當(dāng)加熱段內(nèi)流體的溫度達(dá)到當(dāng)?shù)貕毫λ鶎?duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，加熱段內(nèi)劇烈沸騰產(chǎn)生的蒸汽才推動(dòng)回路中的流體流動(dòng)，使得上升段和下降段內(nèi)流體的密度差變大，驅(qū)動(dòng)壓頭迅速增加，從而加速流體的循環(huán)流動(dòng)。流量增加的同時(shí)也使較冷的流體進(jìn)入加熱段，沸騰現(xiàn)象逐漸消失，直到重新回到單相狀態(tài)，此時(shí)又觀察不到明顯的流動(dòng)。之后系統(tǒng)內(nèi)的流體始終維持這種間歇式的振蕩過(guò)程。

2.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性

圖3示出系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí)的流動(dòng)特性。從圖3可看出，即使在穩(wěn)定工況下流體的流動(dòng)仍呈周期性波動(dòng)狀態(tài)。每個(gè)周期內(nèi)的流動(dòng)可劃分為如下3個(gè)階段。

圖3 穩(wěn)定運(yùn)行工況下的周期性振蕩Fig.3 Periodic oscillation under stable operating condition

1）流動(dòng)停滯階段

在1個(gè)周期的初始階段，流體經(jīng)過(guò)一段單相等待時(shí)間后，在加熱段內(nèi)靠近出口的流體首先發(fā)生過(guò)冷沸騰，產(chǎn)生少量小氣泡。形成的小氣泡在浮升力的作用下逐漸向上移動(dòng)至水平段，并迅速被水平段中較冷的液體冷凝。氣泡被凝結(jié)的同時(shí)也加熱了該處的流體，使其溫度逐漸升高（圖3d）。隨著過(guò)冷沸騰的加劇，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量越來(lái)越多，但由于實(shí)驗(yàn)段出口直接與水平段相連接，這部分氣泡在水平段發(fā)生聚合，未進(jìn)入豎直上升段，對(duì)回路的驅(qū)動(dòng)壓頭幾乎無(wú)貢獻(xiàn)。

另外，從圖3中的溫度曲線可看到：這個(gè)階段中T1的溫度為92～93℃，T4的溫度為98～ 99℃，因此上升段和與其等高的下降段部分流體的平均溫差僅有6℃。而T2和T3的溫度范圍分別為90～92℃和104～110℃，加熱段和與其等高的下降段部分流體之間的平均溫差約為15℃。循環(huán)回路中總的驅(qū)動(dòng)壓頭雖有幾百Pa，但對(duì)于這種阻力系數(shù)較大的細(xì)長(zhǎng)自然循環(huán)回路，由單相溫度差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)壓頭幾乎無(wú)法驅(qū)動(dòng)回路中的流體產(chǎn)生明顯的循環(huán)流動(dòng)。

2）流動(dòng)加速階段

當(dāng)加熱段內(nèi)的流體溫度超過(guò)當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟葧r(shí)，流體會(huì)突然汽化，產(chǎn)生大量蒸汽，蒸汽的膨脹壓力在推動(dòng)上升段流體向上流動(dòng)的同時(shí)也使下降段中的流體產(chǎn)生倒流，如圖3c所示，加熱段內(nèi)部分熱流體倒流使T2的溫度突然升高。實(shí)驗(yàn)段和上升段內(nèi)均充滿高速流動(dòng)的汽水混合物，流型為攪混流。仔細(xì)觀察流體中的示蹤劑還可發(fā)現(xiàn)，倒流過(guò)程幅度很大，熱流體在豎直下降段中流動(dòng)的距離最大可達(dá)4.5m。

隨蒸汽膨脹壓力的減小，下降段中的倒流逐漸消失。但由于此時(shí)上升段中充滿汽水兩相混合物，較大的密度差會(huì)驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)。如圖3c所示，T2的溫度上升到112℃后會(huì)逐漸下降，這也說(shuō)明加熱段中的熱流體不再繼續(xù)進(jìn)入到下降段中，且流入下降段內(nèi)的熱流體又開(kāi)始重新返回到加熱段內(nèi)。由于這部分熱流體過(guò)冷度很低，在流經(jīng)加熱段時(shí)很快發(fā)生沸騰。汽水混合物的產(chǎn)生使上升段內(nèi)流體的重位壓降急劇減小，從而使整個(gè)回路的壓力大幅下降（圖3a）?；芈穳毫Φ慕档蜁?huì)誘發(fā)更多的高溫流體汽化，熱流體溫度也會(huì)相應(yīng)降低，進(jìn)而加速了流體的循環(huán)流動(dòng)。此時(shí)，在上升段上部能觀察到閃蒸現(xiàn)象。這個(gè)加速流動(dòng)過(guò)程一直持續(xù)到T2的溫度降低至90℃左右，即通過(guò)倒流進(jìn)入下降段中的熱流體全部流出下降段，持續(xù)進(jìn)行約20s。

3）流動(dòng)減速階段

當(dāng)?shù)沽鞯臒崃黧w全部流進(jìn)加熱段后，持續(xù)的流動(dòng)過(guò)程會(huì)將越來(lái)越多后續(xù)較冷的流體帶入加熱段內(nèi)。這些流體過(guò)冷度較高，使加熱壁面溫度下降，最終導(dǎo)致加熱段的沸騰過(guò)程停止。在上升段可觀察到，氣液分界面也隨流動(dòng)逐漸向上移動(dòng)，兩相流區(qū)域不斷減小，如圖4所示。當(dāng)兩相區(qū)域完全消失時(shí)，所有管道又重新充滿單相流體，流動(dòng)再次停止，之后繼續(xù)重復(fù)整個(gè)周期性過(guò)程，產(chǎn)生自持的間歇式振蕩。

圖4 豎直上升段內(nèi)流型變化示意圖Fig.4 Scheme of flow pattern transition in vertical rising section

3 結(jié)論

本文對(duì)常壓下具有細(xì)長(zhǎng)回路和較長(zhǎng)水平段的復(fù)雜自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，并以典型的流動(dòng)現(xiàn)象（P＝1.46kW時(shí)）為例詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的運(yùn)行特性，結(jié)論如下。

1）當(dāng)自然循環(huán)回路足夠長(zhǎng)或阻力系數(shù)足夠大時(shí)，回路中將難以產(chǎn)生有效的單相自然循環(huán)，但仍可通過(guò)間歇性沸騰和兩相流動(dòng)將熱量導(dǎo)出。

2）在沸騰過(guò)程初期，加熱段出口首先產(chǎn)生過(guò)冷沸騰，但由于管道細(xì)長(zhǎng)，回路阻力較大，幾乎不能驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)。系統(tǒng)循環(huán)流動(dòng)最終是由加熱段內(nèi)流體的飽和沸騰引起的。

3）較大的回路阻力和沸騰過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)降壓閃蒸導(dǎo)致系統(tǒng)難以維持穩(wěn)定的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓頭，這是細(xì)長(zhǎng)自然循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生間歇沸騰和強(qiáng)烈流動(dòng)不穩(wěn)定性的根本原因。

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Experimental Study of Flow Instability in Elongated Natural Circulation System

GUO Xue-qing，SUN Zhong-ning，ZHANG Dong-yang
（National Key Discipline Laboratory of Nuclear Safety and Simulation Technology，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

The visual experimental study with water as the working substance was performed to investigate the operation behavior of a natural circulation system with elongated loops and long horizontal sections at atmospheric pressure，and the transient operation behavior and instability mechanism of typical experimental phenomenon（P＝1.46kW）were given.The results show that the single natural circulation in elongated system with the great resistance coefficient is difficult to appear，but the heat can be removed by two-phase intermittent boiling.The driven force caused by the sub-cooled boiling can not drive the fluid to produce the effective natural circulation because of the great loop resistance，and the circular flow occurs only when the fluid in heat section produces the saturation boiling.The big loop resistance and flashing because of pressure drop in boiling process make the elongated natural circulation difficult to maintain a stable flow driven head and they are the fundamental reasons of intermittent boiling and strong flow instability.

natural circulation；flashing；flow instability

TL353

A

1000-6931（2014）02-0267-04

10.7538／yzk.2014.48.02.0267

2012-12-04；

2013-01-21

郭雪晴（1990—），女，湖北荊州人，博士研究生，從事反應(yīng)堆熱工水力研究