金光遠,趙珂欣,王 睿,白鏡湖,杜利鵬,張文超

(1.東北電力大學 能源與動力工程學院,吉林省 吉林市 132012;(2.東北電力大學 熱流科學與核工程實驗室,吉林省 吉林市 132012)

氣液逆向流動現(xiàn)象廣泛存在于核電廠系統(tǒng)、制冷設(shè)備、立式冷凝器、自然循環(huán)熱管等工業(yè)應(yīng)用中,對相關(guān)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和設(shè)備可靠性提出較高要求[1]。核電廠發(fā)生破口事故時,系統(tǒng)中產(chǎn)生氣液逆流的位置主要位于堆芯冷卻劑流動通道、一回路熱管段和反應(yīng)堆壓力容器環(huán)形下降通道處。其中,反應(yīng)堆內(nèi)棒束流動空間由于破口事故引發(fā)嚴重冷卻不足現(xiàn)象,氣相向上強迫流動,液相因重力下降,存在兩相間復雜的剪切、攪渾和攜帶作用,發(fā)生兩相逆流限制現(xiàn)象[2-3]。上述過程導致堆芯傳熱進一步惡化,將危及燃料棒完整性,影響失水事故后的安全注射功能。同時,由于燃料棒組形態(tài)(圓形、矩形、花瓣形等)的不同,使得堆芯棒束流動空間內(nèi)發(fā)生兩相逆流時的界面波動特性、液滴攜帶特性等也有差異。

國內(nèi)外學者針對反應(yīng)堆相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)氣液逆流現(xiàn)象開展的研究集中于液泛現(xiàn)象演變過程記錄、初始攜帶點及攜帶份額、液泛特征點對應(yīng)條件和攜帶模型預(yù)測等方面,其中,窄矩形通道內(nèi)液泛現(xiàn)象和攜帶特性近幾年受到更多學者關(guān)注。Vlachos等[4]對間距為5 mm和10 mm的矩形通道內(nèi)淹沒行為進行記錄,對淹沒起始條件與通道尺寸之間的關(guān)系進行了深入分析,結(jié)果表明淹沒發(fā)生對應(yīng)液膜雷諾數(shù)為500。李希川等[5]對尺寸為50 mm×5 mm截面的矩形流道內(nèi)液泛特性進行了研究,結(jié)果表明液泛起始點符合Wallis關(guān)系式,完全攜帶點只與氣體流量大小有關(guān),流向反轉(zhuǎn)點與試驗段壁面干燥程度有關(guān)。Song等[6]引入特征長度、兩相流動通道等概念,建立數(shù)學模型對矩形通道內(nèi)淹沒特性進行了預(yù)測。Kim等[7]結(jié)合通道尺寸、欠熱度和質(zhì)量流量參數(shù)給出了含有下降流動時矩形通道內(nèi)的CHF計算公式,預(yù)測效果良好。鑒于學者針對窄矩形通道內(nèi)氣液攜帶過程研究尚未形成完整的研究體系,對不同氣液狀態(tài)和管道結(jié)構(gòu)條件下的攜帶機理研究不深入,本研究針對氣相速度尚未達到完全攜帶能力、液相周期性下降和攜帶上升的下降環(huán)流區(qū)域,運用高速攝影技術(shù)記錄截面為40 mm×3.5 mm的窄矩形通道內(nèi)環(huán)狀流周期性攜帶現(xiàn)象,對其行為特點、發(fā)生條件和攜帶機理進行深入探究。

1 實驗介紹

考慮到新一代小型反應(yīng)堆對板狀燃料元件單通道的需求,本研究開展實驗所涉及的窄矩形流動通道采用有機玻璃緊密粘貼并打磨完成,其尺寸分別為長邊2 000 mm、寬邊43 mm、高邊3.5 mm。為了防止有機玻璃的撓性變形,在距離實驗段進出口350 mm處安裝定位架。實驗段放置臺架和高速攝影系統(tǒng)臺架均進行了豎直和水平校正。

在常溫常壓條件下,空氣和去離子水作為兩相工質(zhì)流入上述窄矩形通道,通過調(diào)節(jié)流量使其形成豎直向上環(huán)狀流動工況,整體實驗系統(tǒng)如圖1所示。空氣由開式空氣供應(yīng)系統(tǒng)提供,采用活塞式氣泵壓縮空氣后存入大容量儲氣罐中,實驗時儲氣罐內(nèi)空氣經(jīng)過減壓閥和止逆閥進入均流器與液相混合。鑒于實驗所需氣相流量較大,為保證儲氣罐出口壓力和流量恒定,提前設(shè)置好活塞式氣泵開啟壓力,當儲氣罐壓力低于0.4 MPa時自動向儲氣罐輸送空氣。閉路水循環(huán)系統(tǒng)提供實驗所需去離子水,并儲存于水箱,實驗時由離心泵提供驅(qū)動力,流經(jīng)過濾器,通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)實驗流量,進入均流器與氣相形成實驗工況?？紤]到窄矩形通道對兩相流動的束縛作用,為了保證氣液盡早形成良好交混效果、兩相速度均勻進入實驗段,實驗段進口處設(shè)置均流器,內(nèi)部緊密布置多根均流細管。兩相環(huán)狀流經(jīng)過透明實驗段利用高速攝影儀進行行為記錄,最后到達上方氣水分離裝置,空氣直接排入大氣,液相回流至水箱形成閉式循環(huán)。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

高速攝影儀布置于高速攝影水平臺架上,正對窄矩形通道寬邊中心,主要作用是拍攝和記錄環(huán)狀流中的氣液界面波狀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和周期性攜帶特性的演變過程,背光選用均勻板狀光源,布置在通道背面,與高速攝影儀處于同一高度。結(jié)合圖2所示的實驗工況與流型圖(jl為液相折算速度,jg為氣相折算速度),在實際操作時先保持液相流量不變,逐漸向?qū)嶒灦蝺?nèi)增加氣相流量,通過高速攝影系統(tǒng)觀察,待實驗段內(nèi)形成環(huán)狀流周期性攜帶時保持氣液流量不變,進行視頻數(shù)據(jù)記錄和保存。根據(jù)拍攝的氣液工況的不同,高速攝影儀最大能拍攝每秒2 000幀的動態(tài)圖像,采集時間為10～20 s。

圖2 實驗氣液工況與流型圖

實驗過程中還需獲取氣相和液相流量參數(shù)以及環(huán)狀流壓降數(shù)據(jù),水流量和氣流量分別采用不同質(zhì)量流量計測得,精度分別為0.1級和0.2級;兩測壓點設(shè)定在距離進出口500 mm處,所用壓力傳感器量程均為100 kPa,精度為0.1級;流量和壓差數(shù)據(jù)實時同步通過NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得,實驗結(jié)束后所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一存入移動硬盤中。

2 高速攝影圖像的處理、理論分析與誤差分析

高速攝影視頻數(shù)據(jù)處理的目的主要是通過周期性攜帶演變過程分析其形態(tài)變化機理,同時結(jié)合氣液界面波狀結(jié)構(gòu)行為分析其液膜受力特性,深入挖掘其周期性攜帶特性變化的原因。視頻圖像處理過程如下:1) 獲取高速攝影圖像數(shù)據(jù)的原始圖像,通過原始圖片分割技術(shù)獲取600像素×450像素的基本圖片,設(shè)定好輸出時間間隔,得到該氣液工況下的1組基本圖片,同時記錄該圖片對應(yīng)的測量時間,以供觀測和定義周期性攜帶的特征現(xiàn)象和時長;2) 由于拍攝的是兩側(cè)上升的環(huán)狀流動時域圖片,首先通過裁剪、旋轉(zhuǎn)(和鏡像)處理等獲得波狀界面行為圖片,通過設(shè)定灰度閾值辨認氣液相邊界(包括波狀界面和氣泡邊界);3) 通過膨脹、收縮和閉合等圖像處理技術(shù)固化氣液邊界,以獲得清晰、連續(xù)、固定寬度的邊界值;4) 進行液膜部分頂層和底層的分割,主要是先剝離頂層包狀(或帶狀)結(jié)構(gòu),在該波狀結(jié)構(gòu)的最低點做平行于壁面的平行線,即為頂層與底層液膜的分割線;5) 進行特征量識別,主要獲取波狀結(jié)構(gòu)頻率、液相頂層和底層瞬時速度等重要參數(shù)。

高速攝影圖像處理過程與理論分析過程如圖3所示。

圖3 高速攝影圖像處理過程與理論分析

考慮到實驗中高速攝影儀拍攝視場大小和拍攝幀數(shù)設(shè)置,其自身長度辨析誤差始終低于0.7%,實際架設(shè)位置以及拍攝過程的視深相對誤差小于0.6%;為了較準確地獲知液膜厚度數(shù)據(jù),采用可變灰度閾值法對氣液界面進行處理分析,在實驗中采用實驗段進出口速度和靜態(tài)邊界辨識等方法對該處理辦法進行驗證,圖像處理技術(shù)固化邊界的誤差經(jīng)計算為0.7%～1.2%。綜上,高速攝影系統(tǒng)獲取圖像數(shù)據(jù)的總誤差低于2.5%。

3 結(jié)果分析

3.1 環(huán)狀流周期性攜帶特性行為特點

實驗中在給定氣液流動工況條件下可以觀察到窄矩形通道內(nèi)環(huán)狀流周期性的攜帶過程,分析結(jié)果表明每個周期由攜帶起始區(qū)、完全攜帶區(qū)、液膜反轉(zhuǎn)區(qū)和液相下行區(qū)4個過程組成,流動工況為液相折算速度0.185 m/s、氣相折算速度4.430 m/s時,約1個周期內(nèi)環(huán)狀流攜帶行為示意圖示于圖4。為更好表達液膜高度與通道尺寸之間的比例關(guān)系,定義無量綱相對液膜高度為實驗中捕捉到的液膜高度與窄矩形通道寬邊尺寸(43 mm)的比值,據(jù)此定義分析每個攜帶過程的特性。

1) 攜帶起始區(qū)(約0～59 ms)

攜帶起始區(qū)開始于管道中心出現(xiàn)高速上升的一團兩相混流團,該微團與液膜瞬時產(chǎn)生劇烈剪切作用,微團快速通過高速攝影視場向上運動,原本下降的液膜得到較大上升加速度,在較短的時間內(nèi)流向反轉(zhuǎn)。在攜帶起始區(qū)相對液膜高度為0.07～0.12(均為液相底層),兩相微團經(jīng)過前后液膜波狀結(jié)構(gòu)波動幅度較低,氣液界面變形不明顯,未發(fā)現(xiàn)界面擾動波在該區(qū)域內(nèi)經(jīng)過。該區(qū)域液膜表觀形態(tài)整體趨于豎直狀,可以認為氣液交互作用大部分通過剪切受力方式實現(xiàn)。

2) 完全攜帶區(qū)(約59～274 ms)

受中央高速上行氣芯剪切力作用,攜帶起始區(qū)內(nèi)所有液膜均開始向上運動,環(huán)狀流進入完全攜帶區(qū)。完全攜帶區(qū)的判定通過液膜中微小氣泡的速度方向得到,當所有小氣泡運動方向均向上即可認為進入完全攜帶區(qū)。液膜主要存在兩種流動行為:一種是穩(wěn)定的小尺度波狀結(jié)構(gòu),其相對液膜高度不超過0.12,沿壁面向上低速運行;另一種稱為界面擾動波,指在近壁面的波狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的少量厚度較高、無明顯規(guī)律的界面擾動波狀結(jié)構(gòu),波狀結(jié)構(gòu)上存在包狀或帶狀形態(tài),有時甚至出現(xiàn)液相脫離液膜進入氣芯主流中,稱為帶狀破碎波。

3) 液膜反轉(zhuǎn)區(qū)(約274～354 ms)

中央氣相攜帶能力略有下降,近壁處液膜雖保持上行方向,受自身重力影響,液膜上行速度逐漸減小直至為0。液膜反轉(zhuǎn)區(qū)中觀察到的波狀界面結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)方向與完全攜帶區(qū)有差別,完全攜帶區(qū)波狀界面偏轉(zhuǎn)方向均為向上,在液膜反轉(zhuǎn)區(qū)偏轉(zhuǎn)方向存在向上和向下兩種。隨著液膜上行速度逐步降低,包狀或帶狀的波形結(jié)構(gòu)數(shù)量逐漸減少直至消失。

4) 液相下行區(qū)(約354～469 ms)

上行液膜速度降低為0,整體環(huán)狀流進入液相下行區(qū),液相主要受到自身重力影響使得流動方向開始反轉(zhuǎn)。液膜波狀結(jié)構(gòu)變形不明顯,均為小尺度波狀結(jié)構(gòu),平均高度較攜帶起始區(qū)低。液相下行區(qū)維持至中央高速上升的兩相混流團經(jīng)過,環(huán)狀流重回攜帶起始區(qū)域。

3.2 環(huán)狀流周期性攜帶行為時間變化規(guī)律

對實驗涉及到的含液相下降段的環(huán)狀流工況(氣液折算速度見圖2)的不同周期性攜帶行為進行時間統(tǒng)計,低液相流速和高液相流速區(qū)域內(nèi)完整攜帶周期的數(shù)值及不同攜帶行為占比示于圖5。

a——低液相流速區(qū)域(jl=0.185 m/s);b——高液相流速區(qū)域(jl=0.369 m/s)

實驗結(jié)果表明,當液相流速較低時,環(huán)狀流攜帶周期隨氣相折算速度升高略有增加,當液相流速較高時,攜帶周期則隨著氣相速度的增加而減小。分析原因主要與氣芯對液相的攜帶能力有關(guān),當液相速度較低時,處于液相頂層(圖3)的液體較少,使得氣相與液相的交混容易實現(xiàn),因此攜帶周期隨氣相的增加而增加,當液相速度較高時,液相處于液相頂層的份額增加,與氣相交混作用增加,對攜帶產(chǎn)生抑制作用,導致攜帶周期減小。通過對不同周期性攜帶行為占比的分析可以得到,隨著氣相折算速度的增加,完全攜帶區(qū)時間占比逐步增加,液相下行區(qū)時間占比逐步減小,直至進入完全上升環(huán)狀流形態(tài);低液相流速區(qū)域中,隨著氣相速度的增加,攜帶起始區(qū)數(shù)值略有增加,液膜反轉(zhuǎn)區(qū)數(shù)值變化規(guī)律不明顯,高液相流速區(qū)域中,隨著氣相流速的增加,攜帶起始區(qū)和液膜反轉(zhuǎn)區(qū)的數(shù)值都相應(yīng)減小。

3.3 周期性攜帶行為機理分析和完全上升工況判定條件

根據(jù)前文所得結(jié)論,結(jié)合圖3進行窄矩形通道內(nèi)周期性攜帶行為機理分析。結(jié)合文獻[8]中關(guān)于通道內(nèi)共同上行流動的兩相環(huán)狀結(jié)構(gòu),受重力向下拉動產(chǎn)生液膜反轉(zhuǎn)現(xiàn)象判定標準和理論,環(huán)狀流中液相主要有3種表現(xiàn)形式,即液相底層、液膜頂層和氣芯夾帶霧狀或滴狀結(jié)構(gòu),其中,液相底層波動幅度較小,且與周向固體壁面直接接觸面積較大,主要受液膜頂層和壁面影響,效果明顯,因此其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定;液膜頂層是與中央高速上行氣芯直接作用的液相結(jié)構(gòu),參考Pham等[9-10]對棒束流通結(jié)構(gòu)的環(huán)狀流實驗中觀察到的典型包狀卷吸和帶狀卷吸以及液相喪失現(xiàn)象的理論分析,受中央氣相湍動影響,液膜表面法相受力產(chǎn)生突變,傳遞到壁面將產(chǎn)生反向作用,作用的結(jié)果是使液相頂層產(chǎn)生一個擾動波,當擾動波高度到達一定程度后則進入到氣芯核中,變?yōu)殪F狀或液滴結(jié)構(gòu)。文獻[11]對界面波特性的研究也得到類似結(jié)論,他們通過功率譜剖析其壓力信號變化特點,得到了包狀、帶狀以及液相喪失所對應(yīng)的功率譜能量值。

考慮到文獻[9-11]對棒束通道的波狀界面的理論分析,結(jié)合窄矩形通道特點,氣液兩相在窄矩形通道束縛作用下使得液相頂層保留的厚度增加,氣芯和液相的界面作用得到充分體現(xiàn),這加大了在窄矩形通道內(nèi)的周期性攜帶時間,同時含有液相下降的工況范圍也增加。同時,針對棒束通道的環(huán)狀流現(xiàn)象中也未提及液膜下降段的描述,結(jié)合文獻中關(guān)于液膜厚度的相對高度分析可以得出,窄矩形通道存在的自發(fā)周期性攜帶現(xiàn)象的根本原因是通道結(jié)構(gòu)對液相頂層的“保護”作用。

為進一步判定環(huán)狀流工況中含液相下降段和完全上升段的轉(zhuǎn)換邊界,引入多尺度排列熵的分析方法對實驗段環(huán)狀流壓差信號進行處理,周云龍等[12]驗證了多尺度熵分析方法能夠很好在線實現(xiàn)7×7棒束通道中兩相流流型判定,本研究將排列熵應(yīng)用于多尺度熵計算中,以通過相空間的向量排列實現(xiàn)不同尺度條件下系列復雜度和系統(tǒng)動力學特性的更好分析。圖6示出液相折算速度為0.185 m/s時,不同氣相折算速度條件下的多尺度排列熵分析結(jié)果,當氣相折算速度小于4.430 m/s時,整體環(huán)狀流排列熵在0.34處上下波動,呈現(xiàn)無序狀;當氣相折算速度高于5.316 m/s時,隨著氣相速度的增加,整體排列熵逐步降低。

圖6 不同形式環(huán)狀流壓差信號的排列熵分析示意圖

結(jié)合文獻[12]中的結(jié)論,熵分析能夠體現(xiàn)出兩相流相互作用整體的無序狀態(tài)或界面波動劇烈程度,本研究所涉及的工況均為環(huán)狀流,整體排列熵特性除了在低尺度條件下略有增加外,其余尺度范圍均變化不大,分析原因是在窄矩形通道內(nèi),環(huán)狀流中的氣液形態(tài)較彈狀流和攪混流等流型簡單;在含液相下降部分區(qū)域,環(huán)狀流的壓降波動受周向液膜波動和周期攜帶共同作用,導致整體排列熵特性隨氣相速度的增高呈現(xiàn)無序狀,當環(huán)狀流處于完全上升狀態(tài)時,壓差信號則僅受周向液膜波動支配,氣相速度的增加,使得液膜厚度降低,波動幅度也降低,整體呈現(xiàn)排列熵降低的現(xiàn)象。通過對其他液相工況多尺度排列熵結(jié)果分析也可得到相同結(jié)論,因此可以將多尺度排列熵的“無序”向“有序”的轉(zhuǎn)換點作為含液相下降段和完全上升段的判定條件。

4 結(jié)論

本研究針對43 mm×3.5 mm窄矩形通道中空氣-水環(huán)狀流周期性的攜帶過程進行了記錄與分析,針對不同區(qū)域時間變化規(guī)律,對其形成機理進行了分析,研究了利用多尺度排列熵判定含液相下降段和完全上升段轉(zhuǎn)換點的可行性,相關(guān)結(jié)論如下。

1) 實驗中觀察到窄矩形通道內(nèi)環(huán)狀流周期性的攜帶過程,每個周期由攜帶起始區(qū)、完全攜帶區(qū)、液膜反轉(zhuǎn)區(qū)和液相下行區(qū)4個過程組成。

2) 當液相流速較低時,環(huán)狀流攜帶周期隨氣相折算速度的升高略有增加,當液相流速較高時,攜帶周期則隨著氣相速度的增加而減小。隨著氣相折算速度的增加,完全攜帶區(qū)時間占比逐步增加,液相下行區(qū)時間占比逐步減小,直至進入完全上升環(huán)狀流形態(tài);低液相流速區(qū)域中,隨著氣相速度的增加,攜帶起始區(qū)數(shù)值略有增加,液膜反轉(zhuǎn)區(qū)數(shù)值變化規(guī)律不明顯,高液相流速區(qū)域中,隨著氣相流速的增加,攜帶起始區(qū)和液膜反轉(zhuǎn)區(qū)的數(shù)值都相應(yīng)減小。

3) 當氣相折算速度較小時,整體環(huán)狀流排列熵呈現(xiàn)無序狀;當氣相折算速度較高時,隨著氣相速度的增加,整體排列熵逐步降低,因此可以將多尺度排列熵的“無序”向“有序”的轉(zhuǎn)換點作為含液相下降段和完全上升段的判定條件。