朱曉桐，曹夏昕，丁 銘，高 力，鄭云濤

(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)

采用自然循環(huán)流動方式的非能動安全系統(tǒng)以其“不依靠外部機械設(shè)備維持，大幅簡化設(shè)備”的突出應(yīng)用前景成為下一代反應(yīng)堆技術(shù)的研究焦點[1-5]。為確保所設(shè)計的非能動安全系統(tǒng)的運行可靠性，國際上大都采用專用的計算分析軟件進行安全性評估。目前使用較多的是RELAP5程序，該程序具有良好的應(yīng)用記錄[3-4]。但對于某些復(fù)雜的流動現(xiàn)象，如兩相自然循環(huán)流動不穩(wěn)定等[5-6]，國際上一些學(xué)者對RELAP5軟件在計算適用性的問題上提出了質(zhì)疑。例如Manera等[7]對閃蒸驅(qū)動兩相流動不穩(wěn)定性進行了研究，通過對模型細(xì)致全面地分析，指出現(xiàn)有的熱工水力計算程序在模擬閃蒸不穩(wěn)定性的物理特性時缺乏可靠的依據(jù)；Mangal等[8]分別對高壓和低壓的自然循環(huán)系統(tǒng)進行了RELAP5模擬計算，結(jié)果表明，RELAP5程序在模擬高壓回路自然循環(huán)流動特性時，得到的單相和兩相的流量計算結(jié)果與實驗值均符合較好，而在模擬計算低壓回路時，只有單相自然循環(huán)流量與實驗值符合較好，兩相階段流量計算結(jié)果與實驗值相差較大。

為此本文擬搭建一套可視化低壓敞口的自然循環(huán)回路裝置，在對實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，采用RELAP5程序?qū)Φ蛪簵l件下自然循環(huán)流動進行模擬計算，將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，以驗證RELAP5程序的適用性。

1 實驗裝置與實驗方法

實驗裝置如圖1所示，由加熱段、上升段、開口高位水箱、下降段、閥門以及測量系統(tǒng)等組成。為便于實驗觀察，整個實驗回路采用透明的有機玻璃管進行連接。實驗加熱段長1.3 m，內(nèi)徑20 mm，采用電加熱絲進行加熱，加熱功率1.46 kW。實驗回路總高度6.9 m，水平段總長4.5 m。開口水箱高度0.5 m，內(nèi)徑0.09 m。系統(tǒng)啟動前，水箱內(nèi)注入常溫水，水箱內(nèi)初始水位高度0.4 m。

圖1 實驗裝置示意圖

測量系統(tǒng)中，采用鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶進行溫度測量，熱電偶主要布置在自然循環(huán)回路的加熱段入口、加熱段出口、上升段與下降段，分別標(biāo)記為A、B、C、D(圖1)?；芈妨髁繙y量采用電磁流量計，布置在下降管段上，其測量范圍為0.06～6.36 m3/h，精度為0.5%。實驗中，測量參數(shù)的輸出信號經(jīng)NI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和記錄，采樣周期為0.1 s。需要說明的是，實驗回路中水箱采用敞口開式，故未在回路內(nèi)設(shè)置穩(wěn)壓器。

2 實驗結(jié)果分析

a——蓄熱階段；b——噴放階段

加熱初期，加熱段內(nèi)流體不斷吸收熱量，當(dāng)加熱壁面溫度高于實驗段內(nèi)流體飽和溫度時，將首先在壁面附近產(chǎn)生少量小氣泡。但由于加熱段短，加熱段內(nèi)兩相流體密度與對應(yīng)下降段內(nèi)流體密度之差所產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭太小，不足以克服上升段內(nèi)流體自身的重力，因此，盡管在上升段內(nèi)有少量氣泡出現(xiàn)，但加熱段內(nèi)流體仍處于一蓄熱的靜止?fàn)顟B(tài)，對應(yīng)于圖2a。隨著熱量的持續(xù)輸入，加熱段內(nèi)產(chǎn)氣量明顯增加，管段內(nèi)流體蓄熱量不斷加大。在蒸發(fā)量達到某一“突發(fā)點”后，大量氣泡產(chǎn)生。與水混合而成的兩相流體呈“突發(fā)式”從加熱管段出口處上升，在上升過程中，氣泡不斷聚合形成大的氣彈，如圖2b所示。當(dāng)兩相流體上升進入到浸沒在水箱中的上升管后，將以“噴泉”的方式涌出水面，與此同時，下降段內(nèi)冷流體進入加熱段內(nèi)，在這個過程中，實驗回路上升段和下降段被監(jiān)測點處流體溫度出現(xiàn)劇烈的波動，如圖3所示。

圖3 溫度實驗結(jié)果

由于氣泡涌出后，下降段過冷流體又重新進入加熱段內(nèi)，上升段內(nèi)已無足夠的驅(qū)動力，因此流動將會停滯，待加熱段內(nèi)大量氣泡生成后，再次產(chǎn)生瞬間的流動。從圖3可看出，隨著每次大量氣泡的涌出，水箱內(nèi)的水在不斷被加熱，下降段內(nèi)C點處流體溫度也在不斷升高，上升段流體溫度波動周期逐漸縮短。由此可知，這種間歇流動產(chǎn)生的周期長短主要取決于下降段內(nèi)過冷流體的溫度，下降段流體溫度越高，波動周期越短。

當(dāng)水箱內(nèi)流體溫度達到當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟葧r，實驗回路流量波動周期恒定(圖4)，所監(jiān)測的A、B、C、D4點溫度波動幅度均不再發(fā)生變化，流動進入恒周期的兩相流動不穩(wěn)定階段。A點和B點處溫度波谷值為頂部水箱內(nèi)水的壓力(約101 kPa)對應(yīng)的飽和溫度(100 ℃)，波峰值為加熱段內(nèi)水當(dāng)?shù)仂o壓力(約160 kPa)下的飽和溫度(113 ℃)。由于下降段流體溫度基本恒定，這樣加熱段內(nèi)流體蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡所需的熱量主要取決于加熱段入口當(dāng)?shù)貕毫ο逻^冷液體的欠飽和焓與當(dāng)?shù)貕毫ο碌臐摕犰省?/p>

圖4 兩相穩(wěn)定階段回路質(zhì)量流量與溫度實驗結(jié)果

基于對上述實驗現(xiàn)象的分析，可知這種流動不穩(wěn)定屬于典型的間歇泉流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，流量脈動的根本原因在于有效驅(qū)動壓頭的周期波動，即與加熱段內(nèi)氣液兩相流動的產(chǎn)生-消失周期密切相關(guān)。

3 RELAP5/MOD3.2程序驗證

為了驗證RELAP5程序計算間歇泉流動不穩(wěn)定的可行性，本文對實驗回路進行建模，并采用RELAP5/MOD3.2軟件進行模擬計算。

3.1 節(jié)點劃分

圖5 實驗回路節(jié)點劃分

圖5示出實驗回路節(jié)點劃分圖。100P模擬回路加熱，112P模擬頂部開口水箱。200B用于模擬兩相流體到達水箱出口處在重力作用下的汽水分離。392TDV模擬大氣條件下的壓力溫度邊界。節(jié)點劃分考慮管段內(nèi)流體向環(huán)境中散熱。

3.2 模擬計算結(jié)果分析

圖6示出A、B、C、D4點溫度實驗結(jié)果和計算結(jié)果的對比。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，在進入恒周期性的間歇泉兩相流動不穩(wěn)定階段，實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果基本吻合，即周期與波峰、波谷基本一致。以圖6中A點為例，實驗中A點溫度波動周期在56 s左右，波峰在113 ℃左右，波谷在100 ℃左右。在RELAP5/MOD3.2的計算結(jié)果中，A點溫度波動周期約為57 s，波峰在111 ℃左右，波谷101 ℃左右，與實驗值的相對偏差分別為1.77%和1.0%。B點在波峰、波谷上的相對偏差分別為5.56%和2.0%，周期一致。C點在波峰、波谷上的相對偏差分別為14.0%和0.5%，周期相同。D點在波峰、波谷上的相對偏差較小，分別為2.68%和3.33%，周期一致。

圖6 溫度實驗結(jié)果與計算結(jié)果對比

圖7為加熱段入口處壓力波動實驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比。可見，計算結(jié)果與實驗結(jié)果曲線波動周期基本吻合，波動幅值存在一定偏差，壓力平均值相對偏差為9.38%。

圖8為回路質(zhì)量流量的實驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比?？煽闯?，計算結(jié)果與實驗結(jié)果曲線波動周期基本一致，波動幅值存在一定偏差，流量平均值相對偏差為17.4%。

綜上可知，采用RELAP5/MOD3.2軟件給出的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合較好，表明可采用RELAP5/MOD3.2軟件對低壓下間歇泉式自然循環(huán)流動不穩(wěn)定性進行模擬計算。

圖7 壓力波動實驗結(jié)果與計算結(jié)果對比

圖8 回路質(zhì)量流量實驗結(jié)果與計算結(jié)果對比

4 結(jié)論

1) 在開口低壓自然循環(huán)回路中，出現(xiàn)間歇泉流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的根本原因在于有效驅(qū)動壓頭的周期性變化。周期長短與下降段流體溫度密切相關(guān)，下降段流體溫度越低，出現(xiàn)間歇噴放的周期越長。

2) 通過與溫度、加熱段入口處壓力和回路流量的實驗數(shù)據(jù)對比，驗證了RELAP5/MOD3.2程序模擬計算低壓條件下間歇泉自然循環(huán)流動不穩(wěn)定的可行性。該結(jié)論為后續(xù)應(yīng)用RELAP5程序來拓展實驗研究，進行敏感性分析提供了依據(jù)并奠定基礎(chǔ)。

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