程俊，曹夏昕，于德海，韓晉玉

(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)

自然循環(huán)是僅依靠回路內(nèi)冷熱流體密度差和高度差而自然形成的一種流動(dòng)和能量傳輸方式。在低壓條件下的自然循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)中，加熱后的流體(如水)在流道內(nèi)向上流動(dòng)時(shí)，會(huì)隨著當(dāng)?shù)仂o壓力的不斷降低從過(guò)冷變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)，從而出現(xiàn)閃蒸汽化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是沸水堆[1]、低溫供熱堆[2]、反應(yīng)堆非能動(dòng)安全系統(tǒng)(如非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)[3-4])的關(guān)鍵物理現(xiàn)象。

在一定條件下，閃蒸現(xiàn)象的發(fā)生，會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生流動(dòng)震蕩。尤其在低壓自然循環(huán)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)壓力較低，更容易發(fā)生兩相流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。閃蒸現(xiàn)象不僅會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生疲勞破壞，還會(huì)影響排熱能力。學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于兩相流動(dòng)不穩(wěn)定方面的研究工作。Aritomi等[5]在低壓自然循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了3種流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象：冷凝誘發(fā)的間歇泉流動(dòng)不穩(wěn)定、靜壓頭波動(dòng)引起的自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定以及密度波振蕩。Marcel等[6]研究了0.1 MPa條件下單管閃蒸誘導(dǎo)的流動(dòng)不穩(wěn)定性。Furuya等[7]給出了不同上升段入口過(guò)冷度條件下出現(xiàn)的具有代表性波形。通過(guò)機(jī)理分析閃蒸引起的流動(dòng)不穩(wěn)定性與流型轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定性，間歇泉和自然循環(huán)震蕩的不同。Menera等[8-9]對(duì)低壓過(guò)程中系統(tǒng)出現(xiàn)的間歇性閃蒸振蕩流動(dòng)和純閃蒸兩相振蕩流動(dòng)進(jìn)行了描述和機(jī)理分析，并提出增加系統(tǒng)壓力能夠減小閃蒸震蕩的振幅，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。姜?jiǎng)僖萚10-11]研究了不同進(jìn)口欠熱度條件下，單相以及兩相流動(dòng)特性?；谶@種不穩(wěn)定現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)將系統(tǒng)壓力提升至1.5 MPa以上時(shí)，上升段中閃蒸現(xiàn)象消失，流動(dòng)趨于穩(wěn)定。徐錫斌等[12]通過(guò)對(duì)低壓下不同工況系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，確定了其實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)不穩(wěn)定邊界，并分析了系統(tǒng)壓力、入口過(guò)冷度、加熱段進(jìn)出口阻力、加熱段管徑等參數(shù)對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定的影響。Kyung等[13]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)增大加熱段入口阻力或者減小兩相段出口阻力有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。雖然采用上述研究結(jié)論可以有效避免流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)域，但這些方法對(duì)于開(kāi)式自然循環(huán)系統(tǒng)而言，并不是很適用。本文嘗試從閃蒸異相成核的機(jī)理出發(fā)，采用在上升段內(nèi)設(shè)置插入物的方式，誘發(fā)閃蒸提前發(fā)生，從而起到提升系統(tǒng)循環(huán)能力，抑制流動(dòng)不穩(wěn)定的作用。

1 自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，由水箱、下降段、泵支路、加熱器、可視化上升段等組成。其中，上升段為高5.43 m,管道內(nèi)徑D為50 mm的耐熱PC管構(gòu)成。在加熱器進(jìn)出口、上升段以及水箱都布置了相應(yīng)的測(cè)溫點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量各個(gè)位置處的流體溫度變化。在P1與P2、P1與P3測(cè)點(diǎn)之間各布置了一個(gè)差壓傳感器ΔP，用于測(cè)量上升段及下水平段流體的流動(dòng)差壓。2個(gè)電導(dǎo)探針α和1個(gè)網(wǎng)格傳感器用于測(cè)量流道內(nèi)局部及沿程空泡份額的變化及分布規(guī)律?；诒緦?shí)驗(yàn)的參數(shù)變化范圍，在可視化上升段上設(shè)置了3個(gè)插入點(diǎn)如圖1(b)所示，分別為1、2、3號(hào)插入位置，每2個(gè)插入位置間隔250 mm。插入物為直徑3 mm的圓柱形不銹鋼棒，插入方向與流動(dòng)方向垂直。流體經(jīng)過(guò)加熱器加熱后，升溫至一定溫度而后進(jìn)入上升段，在向上流動(dòng)過(guò)程中隨著靜壓力的降低，熱流體從過(guò)冷變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)，從而發(fā)生閃蒸汽化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中的閃蒸現(xiàn)象可通過(guò)高速攝影實(shí)時(shí)拍攝記錄，各參數(shù)均輸入到NI高速采集系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和記錄。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置布置Fig.1 Experimental device arrangement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在低壓自然循環(huán)回路中，當(dāng)加熱功率一定時(shí)，水箱液位高度決定了上升段內(nèi)靜壓大小，同時(shí)也影響了上升段內(nèi)閃蒸的發(fā)生及發(fā)展過(guò)程。本文為了考察插入物對(duì)不同水箱液位高度下的低壓自然循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)特性的影響，加熱器功率為32 kW時(shí)，選取以下3組工況進(jìn)行分析，如表1所示。在工況1的條件下，初始系統(tǒng)處于劇烈震蕩狀態(tài)。隨著液位的增加，系統(tǒng)靜壓力增大，閃蒸受到抑制。在工況2的條件下，初始系統(tǒng)處于小幅度震蕩狀態(tài)。在工況3的條件下，初始系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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

2.1 可視化圖像分析

以工況1為例，水箱液位為23 cm，采用內(nèi)插物前后的流型可視化圖像如圖2所示，從圖2(a)可以看出，在未插入內(nèi)插物時(shí)，流動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，初始產(chǎn)生汽泡的位置在T5熱電偶處。隨著流體向上流動(dòng)，蒸汽產(chǎn)量增加，流型從泡狀流轉(zhuǎn)變成為彈狀流。在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，流型也出現(xiàn)了周期性變化。在此基礎(chǔ)上，將1號(hào)位置處的內(nèi)插物插入至管道中心(l=D/2，如圖2(b))，此時(shí)在1號(hào)位置內(nèi)插物的表面上持續(xù)產(chǎn)生小汽泡，不再有流型的周期性演變過(guò)程，流動(dòng)趨于穩(wěn)定；繼續(xù)將1號(hào)位置處的內(nèi)插物插入至管道內(nèi)壁面(l=D,如圖2(c))，因流體與內(nèi)插物的接觸表面增加，汽化核心數(shù)量增大，使1號(hào)位置處內(nèi)插物的表面上產(chǎn)生的汽泡量增加，流動(dòng)變得穩(wěn)定。

為了考察插入位置的影響，將內(nèi)插物分別放置在2號(hào)或3號(hào)位置上，水箱液位分別為32、41 cm進(jìn)行相同初始熱工參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)。如圖2(d)所示,將內(nèi)插物插入至2號(hào)位置中心(l=D/2)時(shí)，仍能夠觀(guān)察到流型的周期性演變，此時(shí)流動(dòng)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)；圖2(e)是內(nèi)插物插入至2號(hào)位置管壁(l=D)時(shí)，汽泡將在2號(hào)位置處的內(nèi)插物表面上持續(xù)產(chǎn)生，流型不再產(chǎn)生周期性變化，此時(shí)流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖2(f)、(g)所示，無(wú)論內(nèi)插物插入至3號(hào)位置中心(l=D/2)還是管壁(l=D)，此時(shí)都可以觀(guān)察到流型的周期性變化，所以流動(dòng)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 工況1條件下的可視化圖像Fig.2 Visual images under condition 1

由以上現(xiàn)象可以看出，在一定的熱工參數(shù)運(yùn)行條件下，內(nèi)插物的位置及插入深度對(duì)閃蒸流動(dòng)穩(wěn)定性的影響是不同的。因此，有必要分析不同運(yùn)行工況下，內(nèi)插物位置及插入深度對(duì)流動(dòng)特性的影響。

2.2 流動(dòng)特性分析

圖3給出了在加熱器功率為32 kW、液位為23 cm(工況1)的運(yùn)行條件下，內(nèi)插物放置在不同位置及不同插入深度時(shí)系統(tǒng)循環(huán)流量的變化。

從圖3中可以看出，在未放入內(nèi)插物(l=0)時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)流量在2.57～4.7 m3/h波動(dòng)，循環(huán)流量的時(shí)均值為3.97 m3/h，流動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3(a)所示,將內(nèi)插物插入至1號(hào)中心(l=D/2)和管壁處(l=D)，都可以使循環(huán)流量從震蕩變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。內(nèi)插物在1號(hào)中心位置(l=D/2)時(shí)，循環(huán)流量時(shí)均值為4.29 m3/h，相比未插入時(shí)，循環(huán)流量提升了約8%；內(nèi)插物在1號(hào)管壁位置時(shí)(l=D)，循環(huán)流量時(shí)均值為4.36 m3/h，循環(huán)流量提升了約10%。圖3(b)內(nèi)插物在2號(hào)中心位置(l=D/2)時(shí)，流動(dòng)還處于大幅度震蕩狀態(tài)，循環(huán)流量在2.63～4.6 m3/h波動(dòng)，與初始波動(dòng)范圍幾乎一致；內(nèi)插物在2號(hào)管壁位置(l=D)時(shí)，流動(dòng)變得穩(wěn)定，循環(huán)流量的時(shí)均值為4.21 m3/h，提升了約6%。圖3(c)內(nèi)插物在3號(hào)中心位置(l=D/2)時(shí)，流動(dòng)也同樣處于大幅度震蕩狀態(tài)，波動(dòng)范圍在2.56～4.6 m3/h；內(nèi)插物在3號(hào)管壁位置(l=D)時(shí)，流動(dòng)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),但是震蕩幅度相對(duì)之前明顯減小，波動(dòng)范圍在3.8～4.3 m3/h。

圖3 循環(huán)流量在工況1條件下隨時(shí)間的變化Fig.3 Circulation flow rate changes with time under operating condition 1

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于工況1而言，內(nèi)插物放置在1號(hào)位置是能夠有效地抑制初始流動(dòng)中的不穩(wěn)定現(xiàn)象，插入深度越長(zhǎng)，系統(tǒng)流量的提升幅度越大。但在2號(hào)或3號(hào)位置插入內(nèi)插物時(shí)，僅在插入至管壁(l=D)時(shí)，才起到抑制流動(dòng)波動(dòng)的作用。這說(shuō)明，插入物的有效位置及深度還應(yīng)與運(yùn)行工況有關(guān)。

圖4和圖5分別給出了不同運(yùn)行工況下插入位置及深度對(duì)系統(tǒng)流量變化的影響。如圖4所示，在加熱器功率為32 kW，液位為32 cm時(shí)，初始流動(dòng)時(shí)也是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，流量波動(dòng)范圍在3.77～4.55 m3/h，時(shí)均值為4.22 m3/h，與液位為23 cm相比，波動(dòng)范圍明顯減小。從圖4(a)可以看出，內(nèi)插物在1號(hào)中心位置(l=D/2)時(shí),流動(dòng)變得穩(wěn)定,此時(shí)循環(huán)流量時(shí)均值為4.3 m3/h，比初始情況下提升了約2%；內(nèi)插物在1號(hào)管壁位置(l=D)時(shí)，流動(dòng)繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)循環(huán)流量時(shí)均值為4.36 m3/h，比初始情況下提升了約3.3%。雖然循環(huán)流量的提升幅度較小，但是在有內(nèi)插物情況下，流動(dòng)震蕩被明顯抑制。將內(nèi)插物放置在2號(hào)中心位置(l=D/2)時(shí)(見(jiàn)圖4(b))，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)震蕩幅值不僅沒(méi)有減小反而增大，流量波動(dòng)范圍為3.18～4.5 m3/h；繼續(xù)將內(nèi)插物插入至2號(hào)管壁位置(l=D)時(shí)，流動(dòng)從不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀態(tài)，循環(huán)流量時(shí)均值為4.26 m3/h，與初始情況下相當(dāng)，但是振幅有所減小。圖4(c)內(nèi)插物在3號(hào)中心位置(l=D/2)時(shí)，此時(shí)流動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，流量波動(dòng)范圍在2.66～4.66 m3/h，震蕩幅度相比2號(hào)中心位置增加更加劇烈；內(nèi)插物在3號(hào)管壁位置(l=D)時(shí)，此時(shí)流動(dòng)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，流量波動(dòng)范圍在3.88～4.48 m3/h，與初始情況幾乎一致。

圖4 循環(huán)流量在工況2條件下隨時(shí)間的變化Fig.4 Circulation flow rate changes with time under operating condition 2

與圖4不同的是，在加熱功率不變(P=32 kW)，繼續(xù)增加液位深度至41 cm時(shí)(見(jiàn)圖5)，初始流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，初始流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于內(nèi)插物自身結(jié)構(gòu)較小，內(nèi)插物上產(chǎn)生的少量汽泡，不會(huì)改變已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)的流型演變過(guò)程。因此，在不同位置放置內(nèi)插物，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)流量幾乎沒(méi)有變化。

圖5 循環(huán)流量在工況3條件下隨時(shí)間的變化Fig.5 Circulation flow rate changes with time under operating condition 3

綜合上述3種工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以明顯看出，將內(nèi)插物插入至管壁處(l=D)，在初始流動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，不僅能夠抑制系統(tǒng)流量的波動(dòng)，還可以提升系統(tǒng)循環(huán)流量；而在初始流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，也不會(huì)因內(nèi)插物的介入對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

1)通過(guò)可視化觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)插物的介入對(duì)流動(dòng)閃蒸過(guò)程的流型產(chǎn)生影響，可以使流動(dòng)不穩(wěn)定狀態(tài)下的間歇性流型轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的流型。

2)內(nèi)插物可以誘發(fā)閃蒸過(guò)程中汽泡的產(chǎn)生，將內(nèi)插物插入至管壁位置(l=D)時(shí)，可以有效減小流動(dòng)震蕩幅度，甚至消除流動(dòng)不穩(wěn)定性，在一定程度上還可以提升系統(tǒng)循環(huán)流量。在本實(shí)驗(yàn)的工況范圍內(nèi)，系統(tǒng)循環(huán)流量最大約提升10%。

在后續(xù)的工作中會(huì)對(duì)管路內(nèi)的反饋機(jī)制或者壓力流量耦合關(guān)系做進(jìn)一步研究，開(kāi)展流量變化與驅(qū)動(dòng)力阻力之間相互耦合關(guān)系的分析。