2020, Vol. 41
自然循环是仅依靠回路内冷热流体密度差和高度差而自然形成的一种流动和能量传输方式。在低压条件下的自然循环流动系统中, 加热后的流体(如水)在流道内向上流动时, 会随着当地静压力的不断降低从过冷变为过热状态, 从而出现闪蒸汽化现象。这种现象是沸水堆[1]、低温供热堆[2]、反应堆非能动安全系统(如非能动安全壳冷却系统[3-4])的关键物理现象。
在一定条件下, 闪蒸现象的发生, 会诱发系统产生流动震荡。尤其在低压自然循环系统中, 由于系统压力较低, 更容易发生两相流动不稳定现象。闪蒸现象不仅会使系统产生疲劳破坏, 还会影响排热能力。学者开展了关于两相流动不稳定方面的研究工作。Aritomi等[5]在低压自然循环系统的实验中发现了3种流动不稳定现象：冷凝诱发的间歇泉流动不稳定、静压头波动引起的自然循环流动不稳定以及密度波振荡。Marcel等[6]研究了0.1 MPa条件下单管闪蒸诱导的流动不稳定性。Furuya等[7]给出了不同上升段入口过冷度条件下出现的具有代表性波形。通过机理分析闪蒸引起的流动不稳定性与流型转换不稳定性, 间歇泉和自然循环震荡的不同。Menera等[8-9]对低压过程中系统出现的间歇性闪蒸振荡流动和纯闪蒸两相振荡流动进行了描述和机理分析, 并提出增加系统压力能够减小闪蒸震荡的振幅, 使系统更加稳定。姜胜耀等[10-11]研究了不同进口欠热度条件下, 单相以及两相流动特性。基于这种不稳定现象, 研究发现将系统压力提升至1.5 MPa以上时, 上升段中闪蒸现象消失, 流动趋于稳定。徐锡斌等[12]通过对低压下不同工况系统实验研究, 确定了其实验的流动不稳定边界, 并分析了系统压力、入口过冷度、加热段进出口阻力、加热段管径等参数对流动不稳定的影响。Kyung等[13]通过研究发现增大加热段入口阻力或者减小两相段出口阻力有利于系统的稳定。虽然采用上述研究结论可以有效避免流动不稳定区域, 但这些方法对于开式自然循环系统而言, 并不是很适用。本文尝试从闪蒸异相成核的机理出发, 采用在上升段内设置插入物的方式, 诱发闪蒸提前发生, 从而起到提升系统循环能力, 抑制流动不稳定的作用。
1 自然循环实验装置实验装置系统结构如图 1(a)所示, 由水箱、下降段、泵支路、加热器、可视化上升段等组成。其中, 上升段为高5.43 m, 管道内径D为50 mm的耐热PC管构成。在加热器进出口、上升段以及水箱都布置了相应的测温点, 用于实时测量各个位置处的流体温度变化。在P1与P2、P1与P3测点之间各布置了一个差压传感器ΔP, 用于测量上升段及下水平段流体的流动差压。2个电导探针α和1个网格传感器用于测量流道内局部及沿程空泡份额的变化及分布规律。基于本实验的参数变化范围, 在可视化上升段上设置了3个插入点如图 1(b)所示, 分别为1、2、3号插入位置, 每2个插入位置间隔250 mm。插入物为直径3 mm的圆柱形不锈钢棒, 插入方向与流动方向垂直。流体经过加热器加热后, 升温至一定温度而后进入上升段, 在向上流动过程中随着静压力的降低, 热流体从过冷变为过热状态, 从而发生闪蒸汽化现象。实验中的闪蒸现象可通过高速摄影实时拍摄记录, 各参数均输入到NI高速采集系统, 通过计算机监测和记录。
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| 图 1 实验装置布置 Fig. 1 Experimental device arrangement | |
在低压自然循环回路中, 当加热功率一定时, 水箱液位高度决定了上升段内静压大小, 同时也影响了上升段内闪蒸的发生及发展过程。本文为了考察插入物对不同水箱液位高度下的低压自然循环系统流动特性的影响, 加热器功率为32 kW时, 选取以下3组工况进行分析, 如表 1所示。在工况1的条件下, 初始系统处于剧烈震荡状态。随着液位的增加, 系统静压力增大, 闪蒸受到抑制。在工况2的条件下, 初始系统处于小幅度震荡状态。在工况3的条件下, 初始系统处于稳定状态。
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表 1 实验工况 Table 1 Experimental conditions |
以工况1为例, 水箱液位为23 cm, 采用内插物前后的流型可视化图像如图 2所示, 从图 2(a)可以看出, 在未插入内插物时, 流动处于不稳定状态, 初始产生汽泡的位置在T5热电偶处。随着流体向上流动, 蒸汽产量增加, 流型从泡状流转变成为弹状流。在一个振荡周期内, 流型也出现了周期性变化。在此基础上, 将1号位置处的内插物插入至管道中心(l=D/2, 如图 2(b)), 此时在1号位置内插物的表面上持续产生小汽泡, 不再有流型的周期性演变过程, 流动趋于稳定；继续将1号位置处的内插物插入至管道内壁面(l=D, 如图 2(c)), 因流体与内插物的接触表面增加, 汽化核心数量增大, 使1号位置处内插物的表面上产生的汽泡量增加, 流动变得稳定。
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| 图 2 工况1条件下的可视化图像 Fig. 2 Visual images under condition 1 | |
为了考察插入位置的影响, 将内插物分别放置在2号或3号位置上, 水箱液位分别为32、41 cm进行相同初始热工参数下的实验。如图 2(d)所示, 将内插物插入至2号位置中心(l=D/2)时, 仍能够观察到流型的周期性演变, 此时流动仍处于不稳定状态；图 2(e)是内插物插入至2号位置管壁(l=D)时, 汽泡将在2号位置处的内插物表面上持续产生, 流型不再产生周期性变化, 此时流动处于稳定状态。如图 2(f)、(g)所示, 无论内插物插入至3号位置中心(l=D/2)还是管壁(l=D), 此时都可以观察到流型的周期性变化, 所以流动仍处于不稳定状态。
由以上现象可以看出, 在一定的热工参数运行条件下, 内插物的位置及插入深度对闪蒸流动稳定性的影响是不同的。因此, 有必要分析不同运行工况下, 内插物位置及插入深度对流动特性的影响。
2.2 流动特性分析图 3给出了在加热器功率为32 kW、液位为23 cm(工况1)的运行条件下, 内插物放置在不同位置及不同插入深度时系统循环流量的变化。
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| 图 3 循环流量在工况1条件下随时间的变化 Fig. 3 Circulation flow rate changes with time under operating condition 1 | |
从图 3中可以看出, 在未放入内插物(l=0)时, 系统循环流量在2.57~4.7 m3/h波动, 循环流量的时均值为3.97 m3/h, 流动处于不稳定状态。如图 3(a)所示, 将内插物插入至1号中心(l=D/2)和管壁处(l=D), 都可以使循环流量从震荡变为稳定状态。内插物在1号中心位置(l=D/2)时, 循环流量时均值为4.29 m3/h, 相比未插入时, 循环流量提升了约8%；内插物在1号管壁位置时(l=D), 循环流量时均值为4.36 m3/h, 循环流量提升了约10%。图 3(b)内插物在2号中心位置(l=D/2)时, 流动还处于大幅度震荡状态, 循环流量在2.63~4.6 m3/h波动, 与初始波动范围几乎一致；内插物在2号管壁位置(l=D)时, 流动变得稳定, 循环流量的时均值为4.21 m3/h, 提升了约6%。图 3(c)内插物在3号中心位置(l=D/2)时, 流动也同样处于大幅度震荡状态, 波动范围在2.56~4.6 m3/h；内插物在3号管壁位置(l=D)时, 流动仍处于不稳定状态, 但是震荡幅度相对之前明显减小, 波动范围在3.8~4.3 m3/h。
从上述实验结果可以看出, 对于工况1而言, 内插物放置在1号位置是能够有效地抑制初始流动中的不稳定现象, 插入深度越长, 系统流量的提升幅度越大。但在2号或3号位置插入内插物时, 仅在插入至管壁(l=D)时, 才起到抑制流动波动的作用。这说明, 插入物的有效位置及深度还应与运行工况有关。
图 4和图 5分别给出了不同运行工况下插入位置及深度对系统流量变化的影响。如图 4所示, 在加热器功率为32 kW, 液位为32 cm时, 初始流动时也是处于不稳定状态, 流量波动范围在3.77~4.55 m3/h, 时均值为4.22 m3/h, 与液位为23 cm相比, 波动范围明显减小。从图 4(a)可以看出, 内插物在1号中心位置(l=D/2)时, 流动变得稳定, 此时循环流量时均值为4.3 m3/h, 比初始情况下提升了约2%；内插物在1号管壁位置(l=D)时, 流动继续保持稳定状态, 此时循环流量时均值为4.36 m3/h, 比初始情况下提升了约3.3%。虽然循环流量的提升幅度较小, 但是在有内插物情况下, 流动震荡被明显抑制。将内插物放置在2号中心位置(l=D/2)时(见图 4(b)), 发现流动震荡幅值不仅没有减小反而增大, 流量波动范围为3.18~4.5 m3/h；继续将内插物插入至2号管壁位置(l=D)时, 流动从不稳定转变到稳定状态, 循环流量时均值为4.26 m3/h, 与初始情况下相当, 但是振幅有所减小。图 4(c)内插物在3号中心位置(l=D/2)时, 此时流动处于不稳定状态, 流量波动范围在2.66~4.66 m3/h, 震荡幅度相比2号中心位置增加更加剧烈；内插物在3号管壁位置(l=D)时, 此时流动仍处于不稳定状态, 流量波动范围在3.88~4.48 m3/h, 与初始情况几乎一致。
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| 图 4 循环流量在工况2条件下随时间的变化 Fig. 4 Circulation flow rate changes with time under operating condition 2 | |
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| 图 5 循环流量在工况3条件下随时间的变化 Fig. 5 Circulation flow rate changes with time under operating condition 3 | |
与图 4不同的是, 在加热功率不变(P=32 kW), 继续增加液位深度至41 cm时(见图 5), 初始流动处于稳定状态, 初始流动处于稳定状态, 由于内插物自身结构较小, 内插物上产生的少量汽泡, 不会改变已经处于稳定状态的流型演变过程。因此, 在不同位置放置内插物, 可以发现系统循环流量几乎没有变化。
综合上述3种工况下的实验结果, 可以明显看出, 将内插物插入至管壁处(l=D), 在初始流动处于不稳定状态时, 不仅能够抑制系统流量的波动, 还可以提升系统循环流量；而在初始流动处于稳定状态时, 也不会因内插物的介入对系统流动产生不利影响。
3 结论1) 通过可视化观察, 发现内插物的介入对流动闪蒸过程的流型产生影响, 可以使流动不稳定状态下的间歇性流型转变成稳定的流型。
2) 内插物可以诱发闪蒸过程中汽泡的产生, 将内插物插入至管壁位置(l=D)时, 可以有效减小流动震荡幅度, 甚至消除流动不稳定性, 在一定程度上还可以提升系统循环流量。在本实验的工况范围内, 系统循环流量最大约提升10%。
在后续的工作中会对管路内的反馈机制或者压力流量耦合关系做进一步研究, 开展流量变化与驱动力阻力之间相互耦合关系的分析。
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