程俊，曹夏昕，于德海，韓晉玉

(哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

自然循環(huán)是僅依靠回路內冷熱流體密度差和高度差而自然形成的一種流動和能量傳輸方式。在低壓條件下的自然循環(huán)流動系統(tǒng)中，加熱后的流體(如水)在流道內向上流動時，會隨著當?shù)仂o壓力的不斷降低從過冷變?yōu)檫^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]、反應堆非能動安全系統(tǒng)(如非能動安全殼冷卻系統(tǒng)[3-4])的關鍵物理現(xiàn)象。

在一定條件下，閃蒸現(xiàn)象的發(fā)生，會誘發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生流動震蕩。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)生兩相流動不穩(wěn)定現(xiàn)象。閃蒸現(xiàn)象不僅會使系統(tǒng)產(chǎn)生疲勞破壞，還會影響排熱能力。學者開展了關于兩相流動不穩(wěn)定方面的研究工作。Aritomi等[5]在低壓自然循環(huán)系統(tǒng)的實驗中發(fā)現(xiàn)了3種流動不穩(wěn)定現(xiàn)象：冷凝誘發(fā)的間歇泉流動不穩(wěn)定、靜壓頭波動引起的自然循環(huán)流動不穩(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的流動不穩(wěn)定性。Furuya等[7]給出了不同上升段入口過冷度條件下出現(xiàn)的具有代表性波形。通過機理分析閃蒸引起的流動不穩(wěn)定性與流型轉換不穩(wěn)定性，間歇泉和自然循環(huán)震蕩的不同。Menera等[8-9]對低壓過程中系統(tǒng)出現(xiàn)的間歇性閃蒸振蕩流動和純閃蒸兩相振蕩流動進行了描述和機理分析，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。姜勝耀等[10-11]研究了不同進口欠熱度條件下，單相以及兩相流動特性?；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，上升段中閃蒸現(xiàn)象消失，流動趨于穩(wěn)定。徐錫斌等[12]通過對低壓下不同工況系統(tǒng)實驗研究，確定了其實驗的流動不穩(wěn)定邊界，并分析了系統(tǒng)壓力、入口過冷度、加熱段進出口阻力、加熱段管徑等參數(shù)對流動不穩(wěn)定的影響。Kyung等[13]通過研究發(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論可以有效避免流動不穩(wěn)定區(qū)域，但這些方法對于開式自然循環(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理出發(fā)，采用在上升段內設置插入物的方式，誘發(fā)閃蒸提前發(fā)生，從而起到提升系統(tǒng)循環(huán)能力，抑制流動不穩(wěn)定的作用。

1 自然循環(huán)實驗裝置

實驗裝置系統(tǒng)結構如圖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,管道內徑D為50 mm的耐熱PC管構成。在加熱器進出口、上升段以及水箱都布置了相應的測溫點，用于實時測量各個位置處的流體溫度變化。在P1與P2、P1與P3測點之間各布置了一個差壓傳感器ΔP，用于測量上升段及下水平段流體的流動差壓。2個電導探針α和1個網(wǎng)格傳感器用于測量流道內局部及沿程空泡份額的變化及分布規(guī)律。基于本實驗的參數(shù)變化范圍，在可視化上升段上設置了3個插入點如圖1(b)所示，分別為1、2、3號插入位置，每2個插入位置間隔250 mm。插入物為直徑3 mm的圓柱形不銹鋼棒，插入方向與流動方向垂直。流體經(jīng)過加熱器加熱后，升溫至一定溫度而后進入上升段，在向上流動過程中隨著靜壓力的降低，熱流體從過冷變?yōu)檫^熱狀態(tài)，從而發(fā)生閃蒸汽化現(xiàn)象。實驗中的閃蒸現(xiàn)象可通過高速攝影實時拍攝記錄，各參數(shù)均輸入到NI高速采集系統(tǒng)，通過計算機監(jiān)測和記錄。

圖1 實驗裝置布置Fig.1 Experimental device arrangement

2 實驗結果與分析

在低壓自然循環(huán)回路中，當加熱功率一定時，水箱液位高度決定了上升段內靜壓大小，同時也影響了上升段內閃蒸的發(fā)生及發(fā)展過程。本文為了考察插入物對不同水箱液位高度下的低壓自然循環(huán)系統(tǒng)流動特性的影響，加熱器功率為32 kW時，選取以下3組工況進行分析，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 實驗工況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，在未插入內插物時，流動處于不穩(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，蒸汽產(chǎn)量增加，流型從泡狀流轉變成為彈狀流。在一個振蕩周期內，流型也出現(xiàn)了周期性變化。在此基礎上，將1號位置處的內插物插入至管道中心(l=D/2，如圖2(b))，此時在1號位置內插物的表面上持續(xù)產(chǎn)生小汽泡，不再有流型的周期性演變過程，流動趨于穩(wěn)定；繼續(xù)將1號位置處的內插物插入至管道內壁面(l=D,如圖2(c))，因流體與內插物的接觸表面增加，汽化核心數(shù)量增大，使1號位置處內插物的表面上產(chǎn)生的汽泡量增加，流動變得穩(wěn)定。

為了考察插入位置的影響，將內插物分別放置在2號或3號位置上，水箱液位分別為32、41 cm進行相同初始熱工參數(shù)下的實驗。如圖2(d)所示,將內插物插入至2號位置中心(l=D/2)時，仍能夠觀察到流型的周期性演變，此時流動仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)；圖2(e)是內插物插入至2號位置管壁(l=D)時，汽泡將在2號位置處的內插物表面上持續(xù)產(chǎn)生，流型不再產(chǎn)生周期性變化，此時流動處于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖2(f)、(g)所示，無論內插物插入至3號位置中心(l=D/2)還是管壁(l=D)，此時都可以觀察到流型的周期性變化，所以流動仍處于不穩(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)運行條件下，內插物的位置及插入深度對閃蒸流動穩(wěn)定性的影響是不同的。因此，有必要分析不同運行工況下，內插物位置及插入深度對流動特性的影響。

2.2 流動特性分析

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

從圖3中可以看出，在未放入內插物(l=0)時，系統(tǒng)循環(huán)流量在2.57～4.7 m3/h波動，循環(huán)流量的時均值為3.97 m3/h，流動處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3(a)所示,將內插物插入至1號中心(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)。內插物在1號中心位置(l=D/2)時，循環(huán)流量時均值為4.29 m3/h，相比未插入時，循環(huán)流量提升了約8%；內插物在1號管壁位置時(l=D)，循環(huán)流量時均值為4.36 m3/h，循環(huán)流量提升了約10%。圖3(b)內插物在2號中心位置(l=D/2)時，流動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，與初始波動范圍幾乎一致；內插物在2號管壁位置(l=D)時，流動變得穩(wěn)定，循環(huán)流量的時均值為4.21 m3/h，提升了約6%。圖3(c)內插物在3號中心位置(l=D/2)時，流動也同樣處于大幅度震蕩狀態(tài)，波動范圍在2.56～4.6 m3/h；內插物在3號管壁位置(l=D)時，流動仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),但是震蕩幅度相對之前明顯減小，波動范圍在3.8～4.3 m3/h。

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

從上述實驗結果可以看出，對于工況1而言，內插物放置在1號位置是能夠有效地抑制初始流動中的不穩(wěn)定現(xiàn)象，插入深度越長，系統(tǒng)流量的提升幅度越大。但在2號或3號位置插入內插物時，僅在插入至管壁(l=D)時，才起到抑制流動波動的作用。這說明，插入物的有效位置及深度還應與運行工況有關。

圖4和圖5分別給出了不同運行工況下插入位置及深度對系統(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，初始流動時也是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，流量波動范圍在3.77～4.55 m3/h，時均值為4.22 m3/h，與液位為23 cm相比，波動范圍明顯減小。從圖4(a)可以看出，內插物在1號中心位置(l=D/2)時,流動變得穩(wěn)定,此時循環(huán)流量時均值為4.3 m3/h，比初始情況下提升了約2%；內插物在1號管壁位置(l=D)時，流動繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，此時循環(huán)流量時均值為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，但是在有內插物情況下，流動震蕩被明顯抑制。將內插物放置在2號中心位置(l=D/2)時(見圖4(b))，發(fā)現(xiàn)流動震蕩幅值不僅沒有減小反而增大，流量波動范圍為3.18～4.5 m3/h；繼續(xù)將內插物插入至2號管壁位置(l=D)時，流動從不穩(wěn)定轉變到穩(wěn)定狀態(tài)，循環(huán)流量時均值為4.26 m3/h，與初始情況下相當，但是振幅有所減小。圖4(c)內插物在3號中心位置(l=D/2)時，此時流動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，流量波動范圍在2.66～4.66 m3/h，震蕩幅度相比2號中心位置增加更加劇烈；內插物在3號管壁位置(l=D)時，此時流動仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，流量波動范圍在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(見圖5)，初始流動處于穩(wěn)定狀態(tài)，初始流動處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于內插物自身結構較小，內插物上產(chǎn)生的少量汽泡，不會改變已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)的流型演變過程。因此，在不同位置放置內插物，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)流量幾乎沒有變化。

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

綜合上述3種工況下的實驗結果，可以明顯看出，將內插物插入至管壁處(l=D)，在初始流動處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，不僅能夠抑制系統(tǒng)流量的波動，還可以提升系統(tǒng)循環(huán)流量；而在初始流動處于穩(wěn)定狀態(tài)時，也不會因內插物的介入對系統(tǒng)流動產(chǎn)生不利影響。

3 結論

1)通過可視化觀察，發(fā)現(xiàn)內插物的介入對流動閃蒸過程的流型產(chǎn)生影響，可以使流動不穩(wěn)定狀態(tài)下的間歇性流型轉變成穩(wěn)定的流型。

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

在后續(xù)的工作中會對管路內的反饋機制或者壓力流量耦合關系做進一步研究，開展流量變化與驅動力阻力之間相互耦合關系的分析。