李玉祥，吳 艷，曹學(xué)武

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

安全殼超壓排放作為嚴(yán)重事故緩解策略，通過將載有放射性氣溶膠的混合氣體通入水池以降低安全殼超壓失效的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)排放氣體進(jìn)行過濾以減少放射性向環(huán)境的釋放。例如在先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆的設(shè)計(jì)中，如果非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)和其他卸壓措施失效，安全殼內(nèi)混合氣體可以通過多孔噴射器注入到乏燃料水池中以降低安全殼超壓失效的風(fēng)險(xiǎn)[1]。氣溶膠在水池中的水洗效果實(shí)驗(yàn)研究在20世紀(jì)80年代和90年代逐步展開，包括EPRI(Electric Power Research Institute)試驗(yàn)、西班牙開展的LACE-Espana(light water reactor aerosol containment experiments)實(shí)驗(yàn)和GE(general electric)實(shí)驗(yàn)等[2-3]，這些實(shí)驗(yàn)都是在低流速泡狀流下進(jìn)行。在先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆安全殼超壓排放水洗模型的研究中，基準(zhǔn)排放流量為7 kg/s[1]，此時(shí)，氣體注入形式為射流，氣溶膠被高速氣體帶入池中，氣體在高速度下撞擊水體可能產(chǎn)生破碎液滴，液滴被卷入氣體中，從而與氣溶膠顆粒發(fā)生相互作用，對(duì)氣溶膠在水中的滯留效果產(chǎn)生影響，因此針對(duì)射流條件下的實(shí)驗(yàn)研究非常有必要。

1994年西班牙環(huán)境能源技術(shù)研究中心進(jìn)行了RCA(reinforced concerted action)試驗(yàn)[4]，研究了載氣為空氣、單孔噴射器條件下，從泡狀流到射流條件下水池的熱工水力現(xiàn)象，以及水池近沸騰時(shí)射流條件下，不同水池深度(0.25～2.5 m)下氣溶膠的水洗效果。2003年瑞士保羅謝爾研究所進(jìn)行了在過冷池中的氣溶膠滯留(POSEIDON-Ⅱ)實(shí)驗(yàn)[5]，使用孔徑為2 cm的單孔噴射器，進(jìn)行了水池深度、水池溫度及蒸汽份額對(duì)水洗效果的影響研究，但并未對(duì)試驗(yàn)過程中的流型進(jìn)行分析。2011年瑞士保羅謝爾研究所進(jìn)行了模擬蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂情況的氣溶膠試驗(yàn)(ARTIST)[6]，該實(shí)驗(yàn)以氮?dú)鉃檩d氣，進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)，研究了兩種不同質(zhì)量流率(63 kg/(m2·s)和780 kg/(m2·s))下的氣溶膠水洗去除效率。2018年Herranz等[7]進(jìn)行了射流條件下的水洗試驗(yàn)，研究了單孔噴射器條件下，水池對(duì)氣溶膠的滯留效率，試驗(yàn)在74～152 kg/(m2·s)質(zhì)量流率范圍以及低蒸汽份額下(質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%)進(jìn)行。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究集中在單孔噴射器低流速氣泡流注入條件，射流注入的相關(guān)實(shí)驗(yàn)也是單孔噴射器注入且蒸汽份額相對(duì)較低。而先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆安全殼卸壓條件下乏池水洗為多孔噴射器高蒸汽份額射流注入過程，對(duì)于該條件下的氣溶膠水洗去除機(jī)制復(fù)雜，一方面射流流型下注入?yún)^(qū)液體攔截行為對(duì)氣溶膠的去除會(huì)產(chǎn)生重要影響，另一方面在含高蒸汽份額的射流條件下，蒸汽冷凝所產(chǎn)生的冷凝液滴也會(huì)影響氣溶膠的慣性碰撞和攔截碰撞等去除機(jī)制，進(jìn)而影響整體去除效果，因此，本文開展多孔噴射器射流條件下氣溶膠水洗實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究不同流型下氣溶膠的去除機(jī)制及蒸汽冷凝對(duì)水洗效果的影響，為壓水堆事故分析中氣溶膠水洗模型的發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置主要由水洗容器、氣溶膠供應(yīng)系統(tǒng)、蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、廢氣排放系統(tǒng)、氣溶膠測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7部分組成。

圖1 氣溶膠水洗實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of aerosol pool scrubbing facility

水洗容器直徑為1 m，高為5 m，設(shè)計(jì)壓力為0.50 MPa，容器內(nèi)布置有9層共27支熱電阻用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)溫度的變化，容器底部裝有電加熱器用于水池加熱；氣溶膠由PALAS公司生產(chǎn)的固體粉塵發(fā)生器產(chǎn)生，其載氣為氮?dú)猓粚?shí)驗(yàn)氣溶膠使用金屬氧化物二氧化鈦?zhàn)鳛閲?yán)重事故下不可溶氣溶膠的模擬，其質(zhì)量中位徑范圍為0.5～1.5 μm，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為1.63～2.15，與嚴(yán)重事故后期安全殼內(nèi)氣溶膠粒徑相似[8-9]。蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)采用108 kW的電蒸汽鍋爐，最高可產(chǎn)生150 kg/h的蒸汽；空氣供應(yīng)系統(tǒng)最高可提供1 MPa、90 kg/h的空氣流量；實(shí)驗(yàn)使用粒徑譜儀對(duì)氣溶膠顆粒進(jìn)行粒徑及濃度測(cè)量，儀器能夠測(cè)量0.20～10 μm的氣溶膠顆粒，最高測(cè)量濃度可到106P/cm3；未在水洗容器中被去除的氣溶膠再次通過廢氣罐滯留在水中。

本次實(shí)驗(yàn)采用豎直六孔噴射器，如圖2所示，孔徑為0.50 cm，孔數(shù)為6，噴射器距離水洗容器底部0.50 m。

圖2 噴射器示意圖Fig.2 Schematic diagram of injector

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)過程中，通過科里奧利質(zhì)量流量計(jì)得到水洗容器進(jìn)出口流量，測(cè)量精度為1%；溫度為A級(jí)精度熱電阻測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)其測(cè)量精度為±1 ℃；壓力傳感器精度為±1%FS；實(shí)驗(yàn)液位測(cè)量為磁翻板液位計(jì)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)傳，測(cè)量精度為±1 cm；實(shí)驗(yàn)通過粒徑譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水洗容器進(jìn)出口氣溶膠濃度以及粒徑的變化，為保證蒸汽不冷凝，取樣管線外部有加熱保溫裝置，且取樣管線處裝有差壓流量計(jì)監(jiān)測(cè)取樣流量。實(shí)驗(yàn)前利用濾膜取樣的方法對(duì)粒徑譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，氣溶膠濃度測(cè)量最大誤差為20%。

實(shí)驗(yàn)過程水洗凈化系數(shù)(DF)定義為進(jìn)入水池與從水池離開的氣溶膠質(zhì)量之比，如式(1)所示。

(1)

式中：Sin、Sout分別為入口和出口的氣溶膠總質(zhì)量；Cm-in、Cm-out分別為入口和出口的平均氣溶膠質(zhì)量濃度；Qin、Qout分別為入口和出口的平均體積流量。

如以注入總流量43.07 kg/h、水位1.20 m、蒸汽質(zhì)量份額為0%、水池常溫常壓的實(shí)驗(yàn)條件為例，實(shí)驗(yàn)過程中氣溶膠進(jìn)出口濃度隨時(shí)間的變化如圖3所示，出口氣溶膠濃度出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象，進(jìn)出口氣溶膠平均濃度分別為14.56 mg/m3和1.51 mg/m3；水洗容器進(jìn)出口氣溶膠粒徑分布如圖4所示，大粒徑氣溶膠出口質(zhì)量份額更小，進(jìn)出口質(zhì)量中位徑分別為0.56 μm和0.45 μm。利用式(1)計(jì)算得到氣溶膠DF為9.64。

圖3 水洗容器進(jìn)出口氣溶膠濃度Fig.3 Aerosol mass concentrations at inlet and outlet

圖4 水洗容器進(jìn)出口氣溶膠粒徑分布Fig.4 Aerosol size distributions at inlet and outlet

利用誤差傳遞公式(式(2))[10-11]，得到氣溶膠DF誤差的計(jì)算公式(式(3))，氣溶膠濃度測(cè)量誤差經(jīng)過多次測(cè)量校準(zhǔn)得到最大誤差為20%，將粒徑譜儀誤差與體積流量Q計(jì)算公式(式(4))代入式(3)中得到實(shí)驗(yàn)DF最大相對(duì)誤差為29%。

σy=

(2)

(3)

Q=WRT/Mp

(4)

式中：σDF為DF的誤差值；W為質(zhì)量流量；T、p分別為氣流溫度、壓力；M為氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)；R為氣體常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同流型區(qū)氣溶膠水洗效果

根據(jù)氣液流體力學(xué)行為的不同特征，可將水洗過程主要分為兩個(gè)區(qū)域[12]，如圖5所示。注入?yún)^(qū)：氣體可通過不同類型的噴射器進(jìn)入水池，在出口處形成大而不穩(wěn)定的初始?xì)馀萸蚧蛟诟吡魉贂r(shí)形成氣泡柱；上升區(qū)：氣泡因其頻繁的聚合分散形成穩(wěn)定氣泡群，在很快的時(shí)間內(nèi)迅速上升至水池表面最終逸出。對(duì)于氣泡破碎過程對(duì)氣溶膠水洗的影響，通過添加相應(yīng)的氣泡破碎系數(shù)綜合考慮在上升區(qū)[2]。

在系統(tǒng)數(shù)字化和智能化的飛速發(fā)展的今天，《信號(hào)與系統(tǒng)》理論和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用隨處可見。特別是數(shù)字信號(hào)處理理論的學(xué)習(xí)對(duì)于通信類專業(yè)的學(xué)生尤為重要。近幾年來，全國(guó)很多高校學(xué)生擴(kuò)招，本科學(xué)生水平良莠不齊，數(shù)字信號(hào)處理和信號(hào)系統(tǒng)課程對(duì)數(shù)學(xué)能力的要求比較高等，學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)和效果不理想。為了改善目前這種狀況，提高學(xué)生理論和實(shí)踐的能力，對(duì)于該門課程的教學(xué)內(nèi)容、方法也在不斷更新，特別是教學(xué)方法。為避免上述的不利因素，提出MATLAB案例實(shí)踐教學(xué)的方法進(jìn)行探索，將會(huì)具有很強(qiáng)的進(jìn)步意義。

圖5 水洗過程示意圖Fig.5 Hydrodynamic behavior during pool scrubbing

在注入?yún)^(qū)，氣液的相互作用形式影響了氣溶膠水洗的過程，此時(shí)氣體注入速度和成分是影響注入?yún)^(qū)域的關(guān)鍵變量，當(dāng)注入為不凝結(jié)氣體時(shí)，注入的狀態(tài)可用無量綱韋伯?dāng)?shù)(We)表征，當(dāng)We≥105時(shí)，注入?yún)^(qū)氣體為射流狀態(tài)；當(dāng)We<105時(shí)，注入?yún)^(qū)為氣泡流狀態(tài)[13]。在上升區(qū)，氣溶膠在氣泡內(nèi)受重力沉降、離心沉積、布朗擴(kuò)散以及氣泡破碎等作用被去除。本節(jié)主要針對(duì)兩種不同流型下質(zhì)量流率的影響進(jìn)行了研究。

(5)

式中：ρl為液體密度；D0為噴射器孔徑；u0為注入流速；σ為液體注入表面張力。

利用高速攝像機(jī)對(duì)兩種不同的流型進(jìn)行了拍攝，如圖6所示。當(dāng)質(zhì)量流率較低時(shí)，在噴嘴附近首先產(chǎn)生不穩(wěn)定大氣泡，并逐漸碎裂成小氣泡，并最終上升到自由液面，此時(shí)在注入?yún)^(qū)，氣溶膠主要受慣性碰撞、離心沉積等作用被去除，在射流情況下，氣體離開噴口，形成氣柱，呈現(xiàn)射流狀，在射流末端逐漸破碎成氣泡，在浮力的作用下，逐漸上升。在這種情況下，容易發(fā)生液體夾帶的現(xiàn)象，即液相進(jìn)入氣相空間，霧化成液滴，此時(shí)氣溶膠在氣柱內(nèi)受到慣性碰撞、液滴攔截和布朗擴(kuò)散的作用而滯留在水池中，如圖7所示。射流長(zhǎng)度可由無量綱的弗勞德數(shù)(Fr)表征[14-15]，如式(6)所示，液滴平均直徑以及卷入液滴量可用韋伯?dāng)?shù)We和雷諾數(shù)Re表征，如式(7)、(8)所示。

(6)

(7)

(8)

式中：L為射流長(zhǎng)度；ρg為氣體密度；μg為氣體動(dòng)力黏度；μl為液體動(dòng)力黏度；E為夾帶液滴質(zhì)量；cw為表征表面張力對(duì)流動(dòng)影響的因子；Фvm為液滴平均直徑；Weg為氣體韋伯?dāng)?shù)；Reg為氣體雷諾數(shù)；Rel為液體雷諾數(shù)。

圖6 氣體注入流型圖 Fig.6 Image of gas injection flow regime

圖7 液滴和氣溶膠顆粒碰撞示意圖Fig.7 Schematic of dropet-particle mechanical interaction in jet regim

研究不同流型下質(zhì)量流率對(duì)氣溶膠水洗效果的影響，進(jìn)行了10.21、53.24、101.60、135.03、168.91 kg/(m2·s) 5種不同質(zhì)量流率下的氣溶膠水洗去除實(shí)驗(yàn)，We分別為4 218、114 596、417 310、737 060、1 194 500，涵蓋了氣泡流型和射流流型，結(jié)果如圖8所示，氣泡流型下的DF明顯低于射流流型。

圖8 不同質(zhì)量流率條件下的DFFig.8 Influence of mass flux on DF

在射流流型下，隨著質(zhì)量流率的增大，氣溶膠DF逐漸增大，此時(shí)注入?yún)^(qū)內(nèi)氣溶膠的去除占主要作用。隨著注入質(zhì)量流率的增大，射流長(zhǎng)度增大，夾帶液滴量以及直徑都有所增加，注入?yún)^(qū)內(nèi)液滴攔截和慣性碰撞作用增強(qiáng)，DF增大。

為了研究在氣泡流型下質(zhì)量流率對(duì)氣溶膠DF的影響，進(jìn)行了2.85、4.85、6.07 kg/(m2·s) 3種不同質(zhì)量流率的實(shí)驗(yàn)[13]，We分別為1 904、5 518、8 622，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，隨著質(zhì)量流率的增大，DF逐漸減小。這主要是因?yàn)殡S著質(zhì)量流率的增加，上升區(qū)氣溶膠去除機(jī)制占主導(dǎo)作用，雖然在注入?yún)^(qū)慣性碰撞作用增強(qiáng)，但是上升區(qū)氣泡群上升速度增快，如式(9)、(10)所示[16]，氣泡在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少，氣溶膠去除機(jī)制作用時(shí)間變短，進(jìn)而導(dǎo)致上升區(qū)氣溶膠凈化系數(shù)DFrise降低。

(9)

(10)

式中：DFrise為上升氣溶膠水洗凈化系數(shù)；vsw為氣泡群平均上升速度；h為噴射器淹沒深度；Qsw為h/2淹沒深度處的體積流量；λ為上升區(qū)內(nèi)氣泡內(nèi)氣溶膠粒子因重力沉降、離心沉積、布朗擴(kuò)散、氣泡破碎而去除的去除系數(shù)。

圖9 氣泡流型下質(zhì)量流率對(duì)DF的影響Fig.9 Influence of mass flux on DF under bubble regime

2.2 蒸汽冷凝對(duì)氣溶膠水洗效果的影響

在總質(zhì)量流率約為164.09 kg/(m2·s)、水池液位1.20 m、水池常溫的情況下，進(jìn)行了高蒸汽份額比對(duì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)水洗容器進(jìn)口蒸汽流量、氮?dú)饬髁咳鐖D10所示，其蒸汽平均流量44.58 kg/h，氮?dú)馄骄髁?4.98 kg/h，因此實(shí)驗(yàn)蒸汽質(zhì)量份額為64.08%。利用粒徑譜儀得到進(jìn)口平均氣溶膠濃度為17.19 mg/m3，出口平均氣溶膠濃度為0.61 mg/m3, 進(jìn)出口氣溶膠顆粒質(zhì)量中位徑分別為0.50 μm和0.46 μm。利用式(1)計(jì)算得到DF為69。對(duì)比蒸汽份額為0%、總質(zhì)量流率168.91 kg/(m2·s)的工況(圖8)，得到蒸汽冷凝效應(yīng)DFCD為3.83。

圖10 實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)口流量隨時(shí)間的變化Fig.10 Mass flow rate at inlet vs. time during experiment

利用粒徑譜儀測(cè)量的進(jìn)出口粒徑分布得到不同粒徑下DF的變化，與總質(zhì)量流率168.91 kg/(m2·s)水池液位1.20 m、不含蒸汽的工況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。從圖11可看出，隨著顆粒粒徑的增大，DF逐漸增大，同時(shí)當(dāng)混合氣體中存在蒸汽的情況下，蒸汽冷凝效應(yīng)導(dǎo)致的氣溶膠去除占據(jù)主導(dǎo)作用，呈現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，并且這種區(qū)別在大顆粒下更加明顯。

圖11 不同蒸汽份額下DF隨粒徑的變化Fig.11 Effect of particle diameter on DF under different steam mass fractions

當(dāng)氣液界面發(fā)生蒸汽冷凝時(shí)，氣溶膠粒子隨著蒸汽濃度梯度運(yùn)動(dòng)至氣液界面被水池捕獲。氣溶膠粒子的去除份額等于發(fā)生冷凝的蒸汽份額，因此，蒸汽冷凝導(dǎo)致的氣溶膠凈化系數(shù)[12,17]可表示為：

DFCD=Xe/(1-Xs)

(11)

Xe=1-ps/(p0+ρwgh)

(12)

式中：Xs為注入氣體中蒸汽摩爾分?jǐn)?shù)；Xe為熱平衡后不凝性氣體摩爾分?jǐn)?shù)；ps為水池溫度下的飽和蒸汽壓；p0為水池上方壓力；ρw為水密度。

經(jīng)過計(jì)算得到DFCD為2.43，相較于實(shí)驗(yàn)值該式低估了蒸汽冷凝對(duì)氣溶膠去除的作用，其原因是高蒸汽份額下，蒸汽冷凝產(chǎn)生的冷凝液滴也會(huì)對(duì)氣溶膠滯留產(chǎn)生影響，加強(qiáng)了蒸汽冷凝效果，后續(xù)需改進(jìn)注入?yún)^(qū)蒸汽冷凝的氣溶膠凈化系數(shù)模型。

3 結(jié)論

本文建立了氣溶膠水洗去除實(shí)驗(yàn)裝置，開展了射流流型和氣泡流型下不同質(zhì)量流率、蒸汽冷凝對(duì)氣溶膠DF的影響的實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

1) 在注入流型為射流的情況下，注入?yún)^(qū)去除機(jī)制占優(yōu)，液滴攔截和慣性碰撞作用加強(qiáng)，氣溶膠DF隨著質(zhì)量流率的增大而增大。

2) 在注入流型為氣泡流的情況下，上升區(qū)去除機(jī)制占優(yōu)，隨著質(zhì)量流率的增大，上升區(qū)氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)間減少，重力沉降、離心沉積、布朗擴(kuò)散機(jī)制總體作用減弱，導(dǎo)致氣溶膠DF減小。同時(shí)，氣溶膠DF隨著顆粒粒徑的增大而增大，并且在蒸汽存在的情況下，氣溶膠水洗去除效果明顯增強(qiáng)，蒸汽冷凝效應(yīng)占優(yōu)。