为大幅度提高船舶的续航能力或浮动平台的发电量，核动力装置逐渐被引入船舶设计领域^[1-2]。由于船舶的空间有限，为进一步提高堆芯寿期和堆芯的功率密度，堆芯的布置形式逐步由陆用核电厂的棒式结构发展为船用的板式结构，而板式结构堆芯的流动换热特性与矩形换热器的流动换热特性类似^[3-6]。同时由于矩形换热器的结构的特点，其单位体积的极限热流密度和换热效率明显高于其他换热器，矩形换热器也越来越多的应用在船舶领域，同时在核安全领域的应用也较多^[7-8]。核动力系统相比于常规动力系统其安全性受到越来越多的重视，随着AP1000、华龙一号等第三代核电站的建设，非能动安全的思想被引入核动力一回路、二回路的设计中，堆芯余热排出安全设计主要采用一回路非能动换热或二回路非能动换热两种形式，且均采用自然循环形式。自然循环非能动换热主要采用冷源和热源的密度差进行驱动，实现热量的传递。在全厂断电或全船断电的情况下自然循环非能动安全系统可实现堆芯衰变热的导出，防止堆芯融化。因此板式堆芯或矩形换热器的自然循环流动特性的研究对核安全的影响较大。田文喜^[9]、孙中宁^[10]、杨瑞昌^[11]等对矩形换热器的自然循环的换热特性、自适应特性进行了实验和理论分析。

综上所述，自然循环非能动安全设计对船用核动力装置的安全运行起着重要的作用，而目前针对自然循环特性的研究主要集中在陆用核电厂自然循环换热特的性研究，针对船用的板式堆芯或矩形换热器的自然循环流动特性研究较少。本文根据船用堆芯或矩形换热器的结构特点开展单矩形通道内单相-两相自然循环流动特性的实验研究和理论分析。

为了研究船用板式堆芯或矩形换热器单矩形通道内的单相-两相自然循环流动特性，建立单矩形通道自然循环流动特性实验装置，如图1所示。整个实验装置包括自然（强迫）循环回路和辅助冷却回路，其中自然（强迫）循环回路包含2个热源，辅助冷却回路包含一个冷源，且冷源与热源之间有一定的高度差以保证自然循环的建立和持续运行，预热器和直流加热电源2个热源的最大加热功率分别为45 kW和100 kW，冷源为室外冷却塔。通过控制主泵的旁通阀，自然（强迫）循环回路可实现强迫循环和自然循环之间的切换。单矩形通道实验装置自然循环的建立主要有两种方式，一种方式是直接开启热源和冷源，并打开主泵的旁通阀，缓慢增加热源的功率，利用冷源和热源的密度差逐渐驱动流体运动，最终实现流体的稳定运行；另一种方式是关闭旁通阀，开启主泵使流体在回路中持续运行，而后开启预热器和直流电源2个热源持续给流体加热，当流体温度差达到一定值时，打开旁通阀并逐渐降低主泵转速直至关闭主泵，此时系统内的流体依靠密度差将实现自然循环流动。以上2种方法均可以实现闭环系统内的自然循环流动，但是第一种直接开启冷源和热源的方法如果系统管路阻力较大，则需要持续增加热源的温度，可能会导致预热器或单矩形通道超温，而导致损坏。同时在核动力船舶全船断电的情况下自然循环也是由强迫循环向自然循环的转换，因此本实验研究中主要采用第2种方式建立单矩形实验系统的自然循环。为实时监测自然循环系统中的流量和单矩形通道的壁面温度，在实验回路中安装了电磁流量计并在单矩形通道外侧安装了N型热电偶，电磁流量剂的测量误差在±0.5%以内，热电偶的测量误差在±0.2 ℃以内。

图 1 单矩形通道自然循环流动特性实验装置 Fig. 1 Single rectangular channel experimental device of the natural circulation flow characteristics

船用板式堆芯或矩形换热器单矩形通道的示意图如图2所示，单矩形通道的内尺寸为2 mm×40 mm，为监测单矩形通道的壁面温度，在其外表面焊接了N型热电偶。云母板、不锈钢壳是为了保证单矩形通道的电绝缘和强度，保温棉和铝箔用于对实验通道的保温。

图 2 单矩形通道示意图 Fig. 2 Schematic diagram of single rectangular channel

船用板式堆芯或矩形换热器单矩形通道内自然循环流动特性的变化规律如图3所示。图中给出了单矩形换热器壁面温度和自然循环质量流速的变化规律，随着热流密度的逐渐增加单矩形通道壁面温度有2个明显的拐点，即过冷沸腾起始点（ONB）和壁面温度突升点。同时随着热流密度的增加，单矩形通道内的自然循环质量流速存在3个明显的拐点，即通道出现过冷沸腾起始点、饱和沸腾点及自然循环流量突降点，且单矩形通道壁面温度的变化与自然循环质量流速的变化存在对应关系。在过冷沸腾起始点之前，即单矩形通道内的流体为单相流动，随着热流密度的增加单矩形通道的壁面温度和自然循环质量流速呈线性增加，主要因为随热流密度的增加流体吸收更多的热量，流体温度逐渐升高密度逐渐减小，从而导致冷、热源流体的密度差增加，系统自然循环驱动力增加，质量流速逐渐增加。

图 3 单矩形通道内自然循环流动特性变化规律 Fig. 3 Variation of natural circulation flow characteristics in single rectangular channel

从图3还可以看出，在过冷沸腾区域，即单矩形通道内流体刚出现过冷沸腾但还没有达到饱和沸腾的区域，此区域自然循环流量随着热流密度的增加基本保持不变，而壁面温度出现较大幅度的增加，主要因为随着热流密度的增加过冷沸腾区域有频繁的气泡产生和湮灭，会造成单矩形通道内的流动阻力增加，通道阻力的增加正好抵消冷热源密度差导致的驱动力的增加，因此在过冷沸腾区域自然循环流量随热流密度的增加，基本保持不变。同时由于热流密度增加，而流体带走的能力基本保持不变，从而使壁面温度较大幅度的增加。在饱和沸腾区域，随着单矩形通道加热热流密度的增加自然循环质量流速呈线性增加，且增加的梯队比较大。但在流量突降点处自然循环质量流速大幅度减小，同时壁面温度会大幅度增加。主要是因为在矩形通道饱和沸腾区域气泡脱离壁面并随着流体流动的方向移动，从而产生了较大的浮升力，自然循环驱动力明显增加，从而促使自然循环流量明显增加，此时的加热热流密度一部分被流体带走，一部分转化为饱和气泡的汽化潜热，从而使壁面温度随着热流密度的增加其增加的梯度较小。在自然循环流量突降点处，此时由于饱和气泡产生的浮升力与阻力达到了一个最优的平衡，随着热流密度的增加，单矩形通道内的沸腾程度持续增加，此时饱和气泡产生的阻力明显大于自然循环的驱动力，自然循环流量将会降低，流量的降低又促进流体的沸腾程度，在正循环的促使下，自然循环流量将会有一个大幅度降低，直至达到自然循环驱动力和阻力新的平衡。

单矩形通道内出口平衡态含汽率对自然循环质量流速的影响如图4所示。从图中可以看出，在饱和沸腾区域随着出口含汽率的增加，单矩形通道内自然循环的质量流速增加的梯度很大，也就意味着单矩形通道内自然循环的质量流速对出口含汽率比较敏感，通道内饱和气泡产生带来的浮升力和密度差较大的增加了自然循环的驱动力。从图4还可以看出，单矩形通道自然循环质量流速在出口含汽率为0.01～0.02区间时到达峰值。

图 4 出口含气率对自然循环质量流速的影响 Fig. 4 The effect of equilibrium vapor fraction at the outlet on natural circulation flow rate

不同系统压力工况下单矩形通道内自然循环质量流速随入口温度的变化规律如图5所示。从实验结果可以看出，在相同系统压力和加热热流密度工况下，随着流体入口温度的增加，单矩形通道内单相-两相自然循环质量流速逐渐增加，主要因为在定加热热流密度工况下，随着流体入口温度的提升，流体的平均温度逐渐提高，冷热源的密度差逐渐增加，同时在饱和沸腾区域随着入口温度的增加，饱和气泡产生的速率和数量增加，由气泡产生的浮升力逐渐增加，在两者的共同作用下自然循环的驱动力逐渐增加，自然循环的质量流速逐渐增加。

图 5 自然循环质量流速随入口温度的变化规律 Fig. 5 Natural circulation mass flow rate changes with inlet temperature

从图5还可以看出，随着单矩形通道入口流体温度的增加，自然循环最大质量流速逐渐增加，同时自然循环流量突降点对应的热流密度逐渐减小。这主要是因为在系统压力不变的情况下流体的饱和温度不变，随着入口温度的增加，热源的平均温度增加，冷热源的密度差增加，自然循环驱动力增加，导致自然循环的最大质量流速增加。由于在相同系统压力下自然循流量突降点对应的出口平衡态含汽率基本保持不变，所以随着入口流体温度的提升，流量突降点对应的热流量密度逐渐降低。

单矩形通道内自然循环质量流速随系统压强的变化规律如图6所示。从图中可以看出，随着系统压强P_s的增加，自然循环质量流速突降点对应的热流密度逐渐增加，而最大质量流速逐渐减小，同时随着系统压力的增加，饱和沸腾区域自然循环质量流速随热流密度增加的梯度逐渐减小。主要是因为随着系统压强的增加，流体的饱和温度逐渐增加，流体需要吸收更多的热量才能达到自然循环质量流速突降点对应的出口含汽率；同时在饱和沸腾区域随着系统压强的增加饱和气泡的直径逐渐减小，从而由气泡引起的浮升力和冷热源密度差效应逐渐减小，从而导致在高系统压力工况下饱和沸腾区域自然循环质量流速随热流密度增加的梯度较小，以及对应的自然循环最大质量流速逐渐降低。

图 6 自然循质量流速随系统压强的变化规律 Fig. 6 Natural circulation mass flow rate changes with system pressure

通过对船用板式堆芯或矩形换热器的单矩形通道内的单相-两相自然循环流动特性进行了一系列的实验研究和理论分析，得出如下结论：

随着加热热流密度的增加，单矩形通道内自然循环质量流速和壁面温度的变化规律呈对应关系。随着热流密度的增加，在单相区域和饱和沸腾区域自然循环质量流速呈线性增加，且饱和沸腾区域自然循环质量流速增加的梯度较大，在过冷沸腾区域随着热流密度的增加自然循环质量流速基本保持不变，而在流量突降区域随着热流密度的增加，自然循环质量流速急剧降低。单矩形通道内自然循环质量流速对出口平衡态含汽率比较敏感，且在出口含汽率为0.01-0.02区间时到达峰值。随着入口温度的增加，通道内的最大自然循环质量流速逐渐增加，而最大质量流速对应的热流密度逐渐减小。同时随着系统压强的增加，单矩形通道内最大自然循环质量流速逐渐减小，而最大质量流速对应的加热热流密度逐渐升高。