于曉勇，祁沛垚,2，喬守旭，王嘯宇，鄧 堅(jiān)，譚思超,*

(1.黑龍江省核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

棒束燃料元件結(jié)構(gòu)緊湊，流道狹窄，承受著復(fù)雜的機(jī)械載荷。當(dāng)燃料元件長(zhǎng)時(shí)間受到輻照發(fā)生腫脹、彎曲或堆內(nèi)材料碎片、腐蝕產(chǎn)物隨冷卻劑流入堆芯等條件下可能會(huì)造成流道阻塞事故。當(dāng)發(fā)生流道阻塞事故時(shí)，由于流道內(nèi)阻力增大，冷卻劑流量減小，造成冷卻劑輸熱能力減弱，引起堆芯傳熱惡化[1]。因此，有必要針對(duì)局部阻塞條件下棒束通道內(nèi)的流場(chǎng)及阻力特性進(jìn)行研究。

目前，針對(duì)流道阻塞事故的研究主要從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩方面開展。Kikuchi等[1]研究了非沸騰條件下阻塞物下游的溫度分布；Miyazaki等[2]以鈉為工質(zhì)測(cè)量了流道阻塞后溫度的波動(dòng)；Sudo等[3]研究了流動(dòng)阻塞對(duì)壓水堆失水事故堆芯換熱的影響。以上實(shí)驗(yàn)均從換熱特性方面對(duì)阻塞事故進(jìn)行了研究，并未從流動(dòng)特性機(jī)理方面進(jìn)行分析，其原因可能是阻塞后流場(chǎng)特性復(fù)雜，開展實(shí)驗(yàn)較為困難，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，不能給CFD做驗(yàn)證。其次實(shí)驗(yàn)研究中阻塞方式較單一，除Ohtsubo等[4]對(duì)單、雙、三通道阻塞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)外，其余實(shí)驗(yàn)均對(duì)單一阻塞率進(jìn)行了研究，實(shí)際阻塞事故的發(fā)生具有隨機(jī)性。因此棒束通道局部阻塞流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)有必要針對(duì)不同阻塞類型開展相關(guān)研究。部分?jǐn)?shù)值模擬[5-6]建立模型和結(jié)果的可靠性以及準(zhǔn)確性需要驗(yàn)證，局部阻塞條件下棒束通道流場(chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)研究可為CFD提供真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。綜上，本文采用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)測(cè)量邊、角、中心子通道在阻塞條件下的流場(chǎng)及壓力數(shù)據(jù)，分析在不同類型局部阻塞條件下棒束通道內(nèi)的流場(chǎng)特性以及壓力特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)回路

棒束通道局部阻塞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由流動(dòng)回路、可視化局部阻塞實(shí)驗(yàn)本體、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光路成像系統(tǒng)等組成，如圖1所示。使用去離子水作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，在常壓常溫條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，離心泵驅(qū)動(dòng)去離子水從水箱流經(jīng)電磁流量計(jì)由下腔室進(jìn)入棒束通道實(shí)驗(yàn)本體，流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段后從上腔室流出至水箱完成循環(huán)。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)

1.2 阻塞物

阻塞常發(fā)生在燃料元件輻照腫脹或發(fā)生彎曲、堆內(nèi)材料碎片或腐蝕產(chǎn)物隨冷卻劑流入堆芯等事故工況下，因此棒束通道內(nèi)不同位置均可能發(fā)生阻塞。Salama等[7]、Davari等[8]在進(jìn)行CFD模擬計(jì)算時(shí)，均假設(shè)阻塞是由燃料板向內(nèi)彎曲而導(dǎo)致的。對(duì)于本文研究的棒束燃料元件，局部阻塞發(fā)生在流道內(nèi)的位置以及阻塞面積具有隨機(jī)性。為盡可能模擬燃料元件真實(shí)狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)子通道類型設(shè)計(jì)3種子通道阻塞模型，每種阻塞模型又分別設(shè)置不同阻塞率進(jìn)行對(duì)比。

阻塞物分為邊、角、中心子通道3種類型，共8個(gè)子通道阻塞模型，如圖2所示。阻塞物采用有機(jī)玻璃材質(zhì)，厚度為12 mm。為消除入口段影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量應(yīng)在充分發(fā)展區(qū)域，如圖1所示，阻塞物設(shè)置在距離進(jìn)水口510 mm處，棒束通道水力直徑(Dh)為9.752 mm。

a——邊子通道；b——角子通道；c——中心子通道

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及誤差分析

2.1 PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量

PIV測(cè)量系統(tǒng)由可移動(dòng)光學(xué)平臺(tái)、連續(xù)激光器、高速相機(jī)以及控制系統(tǒng)等組成。棒束通道內(nèi)流場(chǎng)行為復(fù)雜多變，實(shí)驗(yàn)選擇聚酰胺顆粒作為示蹤粒子，粒子直徑為10 μm、密度為1.04 g/mL，斯托克斯數(shù)為0.000 6?1[9]，示蹤性能良好。為提高測(cè)量精度并降低相機(jī)鏡頭帶來圖像的畸變，實(shí)驗(yàn)采用遠(yuǎn)心鏡頭進(jìn)行測(cè)量，高速相機(jī)的拍攝速度為4 000幀/s。獲得拍攝圖像后，需進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括去除背景噪聲、邊界識(shí)別等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理采用商用二維PIV處理軟件Davis，初始互相關(guān)計(jì)算窗口為64×64像素，最終計(jì)算窗口為16×16像素，窗口內(nèi)的粒子數(shù)量為5～10個(gè)，窗口重疊率為50%，實(shí)際分辨率為0.15 mm×0.15 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

通過調(diào)節(jié)旁通閥開度及變頻器頻率建立不同實(shí)驗(yàn)工況，通過流量計(jì)及溫度計(jì)監(jiān)視流動(dòng)工況。實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表1，選擇1、3、5、7 m3/h 4個(gè)工況進(jìn)行PIV測(cè)量實(shí)驗(yàn)。每個(gè)工況分別測(cè)量平面A、B、C的流場(chǎng)信息。PIV測(cè)量平面如圖1所示，平面A、B、C為棒束間隙，坐標(biāo)位置分別為x=31.225、18.9、6.3 mm。為消除入口效應(yīng)的影響，壓力數(shù)據(jù)的采集位于充分發(fā)展區(qū)域。在阻塞物下游會(huì)產(chǎn)生較大范圍的回流及尾流區(qū)域，因此將實(shí)驗(yàn)壓降測(cè)量截面設(shè)置在阻塞物上游100 mm及下游150 mm處，如圖1所示，引壓孔距入口410 mm，間距為250 mm。首先測(cè)量了雷諾數(shù)(Re)為450～8 500、不帶阻塞物的實(shí)驗(yàn)段壓降，即摩擦阻力壓降，然后在局部阻塞條件下測(cè)量了實(shí)驗(yàn)段的總壓降。

表1 PIV實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

2.3 誤差分析

PIV測(cè)量誤差的來源包含坐標(biāo)標(biāo)定誤差、實(shí)際圖像的誤差、成像像素的誤差等。李興等[10]對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)PIV測(cè)量誤差進(jìn)行了詳細(xì)研究，得出主流速為1 m/s時(shí)速度測(cè)量總不確定度為6.9%。棒束通道內(nèi)PIV速度測(cè)量的不確定度按照日本可視化協(xié)會(huì)推薦的誤差分析方法[11]進(jìn)行，得出本實(shí)驗(yàn)最大誤差約為5.7%。壓降測(cè)量的誤差取決于測(cè)量過程中儀器在測(cè)量范圍內(nèi)的精度，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)均在儀表量程之內(nèi)。流量測(cè)量使用KROHNE OPTIFLUX4000，不確定度為±0.37%；溫度測(cè)量使用JWB/Pt100，不確定度為±0.5%，實(shí)驗(yàn)段壓降測(cè)量使用Honeywell STD800，不確定度為±0.035%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

PIV實(shí)驗(yàn)獲得了棒束通道在邊、角及中心子通道阻塞條件下，工況1～4測(cè)量平面A、B、C的流場(chǎng)數(shù)據(jù)。阻塞后的瞬時(shí)流場(chǎng)復(fù)雜多變，為研究局部阻塞對(duì)流道內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，將所得到的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域平均，結(jié)合瞬時(shí)流場(chǎng)數(shù)據(jù)及時(shí)均流場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)阻塞后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.1 中心通道阻塞

中心子通道阻塞條件下工況4平面C的時(shí)均流線圖示于圖3，主流在阻塞物上游發(fā)生分離，繞過阻塞物流向下游，在阻塞物上游并沒有漩渦生成。主流繞過阻塞物兩角后在兩側(cè)形成漩渦并逐漸擴(kuò)大，達(dá)到一定程度后脫落并在下游形成回流區(qū)，流體在回流區(qū)后重新匯流。由圖3可見，回流區(qū)分布有兩個(gè)明顯且旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，漩渦尺寸、影響范圍隨阻塞率的增加而明顯增大。阻塞率為3.58%、14.33%下形成的回流區(qū)長(zhǎng)度分別為2Dh及5Dh，阻塞率為57.32%時(shí)形成的回流區(qū)長(zhǎng)度則在12Dh以上。

圖3 中心子通道阻塞條件下工況4平面C的時(shí)均流線圖

在中心子通道阻塞條件下，阻塞率對(duì)工況4平面C阻塞物下游1Dh處橫向速度u及軸向速度v分布的影響示于圖4。阻塞物使流道內(nèi)產(chǎn)生漩渦，在一定程度上促進(jìn)了流體間的橫向攪渾，但這是針對(duì)阻塞物下游兩側(cè)主流區(qū)的，而阻塞物下游中心部分流體則流速變緩，并發(fā)生回流。圖4b顯示，隨著阻塞率的增大，其對(duì)軸向速度的影響范圍不斷增大。阻塞率為57.32%時(shí)產(chǎn)生的回流軸向速度最大可達(dá)到主流速度的46.14%，回流速度較大，大幅降低了冷卻劑與燃料棒之間熱量的傳遞效率。

圖4 不同阻塞率下工況4阻塞物下游1Dh處的速度分布

阻塞物下游形成的漩渦在整個(gè)流動(dòng)過程中是不斷變化的，圖5示出了阻塞率為14.33%時(shí)工況4平面C兩列漩渦的形成、發(fā)展以及耗散過程?？煽吹剑鞯纼?nèi)的瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與時(shí)均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在較大差別。瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同于時(shí)均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，存在非定常性。在整個(gè)過程中，漩渦不穩(wěn)定，短時(shí)間具有隨機(jī)性，漩渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)無序、混沌的特征，但從整個(gè)流動(dòng)過程來看其流場(chǎng)特征具有重復(fù)性。由圖5可見，t=0 s時(shí)，阻塞物下游((4～6)Dh)部分尾流區(qū)偏向左側(cè)；t=0.25 s時(shí)，尾流區(qū)逐漸向右側(cè)移動(dòng)；t=0.5 s時(shí)，尾流區(qū)到達(dá)最右側(cè)；t=0.75 s時(shí)，尾流區(qū)又逐漸向左側(cè)移動(dòng)，擺動(dòng)周期約為1 s。阻塞物下游周期性地交替出現(xiàn)兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，這兩列漩渦相互擠壓、變形不斷向下游擴(kuò)散，從而導(dǎo)致了下游回流區(qū)隨時(shí)間有規(guī)律的左右擺動(dòng)。

圖5 阻塞率為14.33%條件下工況4平面C的瞬時(shí)流線圖

為研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨Re的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同Re對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了多次測(cè)量，14.33%阻塞率下工況1～4平面C的時(shí)均流線圖示于圖6。隨著Re的增加，阻塞物下游左側(cè)漩渦中心向下游移動(dòng)并向下游擴(kuò)散范圍變大。一方面阻塞物所形成的漩渦沿垂直于流線方向擴(kuò)散；另一方面漩渦也被流動(dòng)帶向下游，并不斷衰減。Re越大，漩渦向徑向的傳播速度越小于向下游的傳播速度[12]。當(dāng)Re為1 085時(shí)，漩渦積聚在阻塞物附近。隨著Re的增加，由于漩渦向徑向的傳播速度小于向下游的傳播速度，因此可觀察到左側(cè)漩渦向下游的擴(kuò)散范圍變大。Re從1 085增加到7 627，交匯點(diǎn)約向下游移動(dòng)了2Dh。雖然影響范圍增大，但左側(cè)漩渦向下游擴(kuò)散，不再積聚在阻塞物正下游?？紤]到兩側(cè)漩渦相互擠壓，受左側(cè)漩渦影響，隨著Re的增大右側(cè)漩渦向下游移動(dòng)不明顯。

圖6 阻塞率為14.33%條件下平面C的時(shí)均流線圖

14.33%阻塞率下工況1～4平面C阻塞物下游1Dh的流速分布示于圖7a，隨著Re的增加，阻塞物下游附近流速增大，說明漩渦不再積聚在阻塞物正下游。因此當(dāng)發(fā)生局部阻塞事故時(shí)，應(yīng)盡可能使冷卻劑的流量保持在一個(gè)較大的數(shù)值，以增加阻塞物下游的湍流程度，及時(shí)帶走燃料元件的熱量。14.33%阻塞率下工況1～4平面C中x=18.9 mm處(即第1、2列棒間隙)的橫向速度u分布示于圖7b。阻塞物使流道內(nèi)產(chǎn)生橫向速度，在阻塞物下游2Dh附近橫向速度達(dá)到最大，之后緩慢衰減，在阻塞物下游約7Dh處橫向速度衰減至0 m/s附近。

a——阻塞物下游1Dh處流速分布；b——x=18.9 mm處橫向速度分布

3.2 邊、角子通道阻塞

邊子通道阻塞所形成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與中心子通道阻塞具有一定的相似性，圖8為邊子通道阻塞下工況4平面C的時(shí)均流線圖。與中心子通道阻塞形成的流體結(jié)構(gòu)類似，漩渦首先在阻塞物右側(cè)壁面形成，增大到一定程度后脫落并在下游形成回流區(qū)。不同的是，邊子通道阻塞所形成的回流區(qū)與壁面相接觸，棒束通道壁面附近的漩渦形狀不規(guī)則，分布不均勻。這是由于湍流以及壁面的影響，導(dǎo)致壁面附近的漩渦產(chǎn)生后很快就被撕裂、耗散。邊子通道類型阻塞所形成的回流區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較中心子通道阻塞更復(fù)雜。與邊子通道阻塞類型類似，角子通道阻塞所形成的回流區(qū)同樣與壁面相接觸，由于壁面的作用，壁面附近的漩渦形狀不規(guī)則。

圖8 邊子通道阻塞條件下工況4平面C時(shí)均流線圖

3.3 壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)處理

3.3.1阻力系數(shù)理論計(jì)算公式 局部阻塞條件下棒束通道內(nèi)的壓降由摩擦壓降Δpf、重力壓降Δpg以及阻塞物引起的局部壓降Δpsg組成，如式(1)所示。其中重力壓降可根據(jù)密度與高度差計(jì)算獲得，摩擦壓降可通過測(cè)量不帶阻塞物棒束通道內(nèi)壓降獲得，局部壓降可通過總壓降減去摩擦壓降及重力壓降獲得。

Δp=Δpf+Δpg+Δpsg

(1)

(2)

(3)

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；D為棒束通道當(dāng)量直徑；ρ為20 ℃去離子水密度；u為橫截面瞬時(shí)速度；L為測(cè)壓頭間距；ζ為局部阻力系數(shù)。

3.3.2阻力特性分析 實(shí)驗(yàn)首先針對(duì)不帶阻塞物棒束通道內(nèi)的壓降進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)式(2)計(jì)算得到棒束通道的摩擦阻力系數(shù)。Cheng等[13]針對(duì)正方形布置的光滑棒束通道提出了摩擦阻力系數(shù)計(jì)算方法，并給出了棒束通道內(nèi)流態(tài)劃分及轉(zhuǎn)捩點(diǎn)Re的計(jì)算公式。將實(shí)驗(yàn)值與Cheng公式預(yù)測(cè)的摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性，如圖9所示。結(jié)果顯示，Re<2 000時(shí)，Cheng公式能很好地預(yù)測(cè)棒束通道內(nèi)摩擦阻力系數(shù)。但隨著雷諾數(shù)的增加，預(yù)測(cè)結(jié)果逐漸小于實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ磷枇ο禂?shù)。在雷諾數(shù)為750附近，摩擦阻力系數(shù)發(fā)生明顯的改變，可認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)層流與過渡流轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)約為750[14]。棒束通道內(nèi)由于存在徑向壓差導(dǎo)致的橫向流動(dòng)，流道內(nèi)湍流程度增強(qiáng)，促使轉(zhuǎn)捩提前到來，因此本實(shí)驗(yàn)層流與過渡流轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)較Cheng等[13]提出的劃分準(zhǔn)則所得轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)(1 076)小。

圖9 摩擦阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比

冷卻劑在棒束通道內(nèi)流動(dòng)局部阻力主要由定位格架產(chǎn)生[15]。課題組前期針對(duì)定位格架的阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[16]。為研究阻塞物所引入的局部阻力系數(shù)的大小及規(guī)律，將其與定位格架所引入的局部阻力系數(shù)進(jìn)行比較。根據(jù)式(3)計(jì)算得到不同阻塞類型下的局部阻力系數(shù)，與祁沛垚等[16]預(yù)測(cè)的定位格架局部阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。結(jié)果表明，定位格架所造成的局部阻力系數(shù)與23.55%阻塞率的邊通道阻塞及25.00%阻塞率的角通道阻塞的局部阻力系數(shù)曲線誤差較小。Re<750時(shí)，阻塞物所形成的局部阻力系數(shù)隨Re的增大相比于定位格架減小快。這是由于Re較小時(shí)，阻塞物下游形成的漩渦積聚在阻塞物正下游附近，隨著Re的增大，漩渦逐漸向下游擴(kuò)散，此階段局部阻力系數(shù)減小較快。但隨著Re的繼續(xù)增大，阻塞物所形成的局部阻力系數(shù)曲線相對(duì)于定位格架變化較平緩。由于定位格架上的攪混翼片等結(jié)構(gòu)可促進(jìn)流體攪混[17]，因此在Re>750之后，定位格架的局部阻力系數(shù)隨著Re的增大變化較快。由中心子通道阻塞局部阻力隨雷諾數(shù)的變化可見，壓降隨阻塞率的增加而增大，導(dǎo)致局部阻力系數(shù)隨阻塞率的增加而增大。但呈4倍比例增加的阻塞面積所造成的局部阻力系數(shù)并不是簡(jiǎn)單的線性增加關(guān)系。

圖10 不同阻塞類型局部阻力系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)局部阻塞條件下5×5棒束通道內(nèi)流場(chǎng)特性以及壓力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到如下主要結(jié)論。

1) 阻塞物下游流體產(chǎn)生回流并分布有漩渦，漩渦的尺寸、影響范圍隨著阻塞率的增加而增加。

2) 阻塞條件下的瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同于時(shí)均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非定常性。瞬時(shí)流線圖顯示，回流區(qū)內(nèi)的漩渦不穩(wěn)定，短時(shí)間具有隨機(jī)性，但從整個(gè)流動(dòng)過程來看其流場(chǎng)特征具有重復(fù)性。

3) 中心子通道阻塞在回流區(qū)形成了兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，隨著Re的增加，阻塞物下游左側(cè)漩渦中心向下游移動(dòng)且擴(kuò)散范圍變大。

4) 由于湍流和壁面作用，邊、角子通道阻塞在棒束通道壁面附近形成的漩渦形狀不規(guī)則、分布不均勻。

5) 局部阻力系數(shù)隨阻塞率的增加呈非線性增加趨勢(shì)。阻塞物的局部阻力系數(shù)與定位格架相比，Re<750時(shí)隨Re增加減小較快；Re>750時(shí)減小較為平緩。