开式自然循环系统启动特性研究

侯晓凡，孙中宁，范广铭，丁 铭，宿吉强

(哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

开式自然循环系统启动特性研究

侯晓凡，孙中宁*，范广铭，丁 铭，宿吉强

(哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

针对开式自然循环系统启动特性进行了实验研究。实验表明：不同加热功率下，开式自然循环系统会经历不同的流动演化过程。低加热功率下，系统经历单相循环、喷泉不稳定，最终演化为闪蒸不稳定；中等以及高加热功率下，系统依次经历单相循环、喷泉不稳定和沸腾伴随闪蒸不稳定后，分别演化为稳定的汽液流动和密度波振荡。导致启动过程流动演化的主要原因是随着加热管入口水温的升高，管内沸腾现象持续增强，上升段内闪蒸现象则先增强而后减弱，两者相互作用，导致系统流量、相变位置及空泡份额等发生明显变化。最后，绘制了开式自然循环启动过程的无量纲化流动不稳定区域分布图，并拟合得到了喷泉不稳定及闪蒸主导的不稳定起始边界的经验关系式，拟合结果与实验结果符合良好。

开式自然循环；启动特性；流动不稳定；不稳定区域分布

自然循环在化学工程、核动力等领域均得到广泛应用，而在两相自然循环建立过程中则不可避免地会产生流动不稳定[1-2]。系统振荡有可能会诱发装置机械振荡、系统控制等问题，在极端情况下还可能引起传热的恶化，导致传热壁面的烧毁[3]。目前针对闭式自然循环启动过程流动特性的文献报道较多[4-7]，然而针对开式自然循环系统的研究却很少，开式系统由于运行压力为常压，系统易于发生沸腾、闪蒸等剧烈的相变过程；同时相对于闭式系统，开式系统缺少能容纳系统压力波动、抑制空泡份额变化和流量振荡的封闭气空间，因此更容易诱发流动不稳定现象。Chiang等[8]曾以沸水堆启动过程为背景，对开式自然循环启动过程进行了实验研究，但其入口温度变化范围较窄，且并未给出自然循环建立过程中的流动特性演化过程。本文在不同加热功率下，对开式自然循环系统启动过程中的流动特性变化过程进行系统的实验研究。

1 实验装置和实验方法

实验装置由加热管、自然循环回路和高位水箱等部分组成(图1)。冷却水从高位水箱中流出，进入加热管后被锅炉产生的饱和蒸汽加热，然后在冷热段密度差的驱动下向上流动，经过可视化上升管段后，最终流回高位水箱。回到水箱的两相流体经过汽水分离后，气相直接排放至大气环境，液相继续参与自然循环。

为观测回路中冷却水的流动特性，实验装置多处布置温度、压力测点，其中冷却水温度由Ⅰ级铠装镍铬-镍硅热电偶测量，冷却水压力由0.1级的压力传感器测量，饱和蒸汽流量由0.5级的涡街流量计测量，自然循环流量由0.2级的电磁流量计测量。各测量仪表动态响应特性良好，准确性均经过专门的标定。实验测量信号通过NI数据采集系统进行实时采集和存储。

图1 实验回路示意图Fig.1 Sketch map of experimental loop

实验时，向实验回路中通入冷却水，使水箱内的液面与汽水分离装置出口齐平，同时向冷凝罐内持续通入饱和蒸汽，冷却水在冷热段密度差的驱动下发生自然循环。随着加热的进行，加热管入口水温不断升高，直至达到稳定(通常为(99.0±0.5) ℃)，实时采集这一过程中系统各测点的温度、压力变化，并观察上升段中冷却水的流动特性。系统加热功率通过控制管外的饱和蒸汽压力进行调节，功率通过蒸汽冷凝前后的焓差以及蒸汽流量计算得到，范围为18.9～127.4 kW。

2 实验结果分析

2.1 启动过程中流量的时序变化

实验结果表明，加热功率对开式自然循环系统启动过程中的流动不稳定演化过程具有重要作用，不同的加热功率下，开式自然循环系统会经历不同的流动不稳定过程。图2为不同加热功率下，开式自然循环启动过程中自然循环流量的时序变化。

图2 不同加热功率下开式自然循环启动过程的时间序列Fig.2 Startup time series of open natural circulation system under different heating powers

1) 在低加热功率工况(曲线Ⅰ)下，系统依次经历单相自然循环(a)、喷泉不稳定(b)，最终演化为闪蒸不稳定(c)；

2) 在中等加热功率工况(曲线Ⅱ)下，系统依次经历单相自然循环(a)、喷泉不稳定(b)、沸腾伴随闪蒸不稳定(d)，最终演化为稳定的气液两相流动(e)；

3) 在高加热功率工况(曲线Ⅲ)下，系统依次经历单相自然循环(a)、喷泉不稳定(b)、沸腾伴随闪蒸不稳定(d)，最终演化为剧烈的密度波振荡(f)。

上述的自然循环启动过程经历的典型流动不稳定模式详见2.2节。

2.2 典型不稳定类型

1) 喷泉不稳定

喷泉不稳定是开式自然循环系统启动过程中最先出现的不稳定形式。如图3所示，此时自然循环流量呈低振幅的不规则脉动，加热管出口处流体处于过冷状态，水平可视化管段内观察到有汽泡间歇性地涌出，说明加热管内发生了过冷沸腾，汽泡在水平可视管段内运动缓慢，且逐渐被冷凝。对于喷泉不稳定，过冷沸腾汽泡随机地产生、长大和冷凝是导致其发生的诱因。

图3 喷泉不稳定Fig.3 Geysering oscillation

实验发现，不同加热功率下，喷泉不稳定起始时的入口水温随着加热功率的增加而逐渐降低，通过Saha-Zuber模型[9]对过冷沸腾汽泡脱离点位置进行计算发现，当喷泉不稳定起始时，汽泡脱离点的位置基本稳定在加热管出口附近。

2) 闪蒸不稳定

随着加热段入口水温的升高，加热段出口水温也升高，上升段内出现周期性的闪蒸汽化现象，从而诱发闪蒸不稳定。闪蒸不稳定或闪蒸主导的不稳定现象主要出现在低功率工况后期及中高功率工况的发展期。

在低功率工况后期，由于加热管入口水温较高，管内已出现欠热沸腾，欠热沸腾产生的汽泡流出加热管后，在水平可视化管段内被完全冷凝。这些汽泡通常较小且行程较短，因此对流量的扰动较小。随后流体沿上升段向上流动，由于静压降低，在某一位置达到当地饱和温度而诱发闪蒸。闪蒸增加了自然循环流量，导致加热管出口水温降低，闪蒸现象结束。上升段内流体恢复单相流动，导致流量降低，从而再次诱发闪蒸。此时系统振荡由闪蒸不稳定主导，振荡周期稳定，每次闪蒸前有一段较长的单相孕育阶段。图4为典型的闪蒸不稳定工况，图中T1、T2、T3分别表示加热段出口、上升段入口及水箱入口处的温度，Tp1、Tp2、Tp3则表示相应位置的饱和温度。经比较发现，闪蒸发生时，加热段出口及上升段入口处，流体温度始终低于当地饱和温度，说明流体始终处于过冷状态；而水箱入口处的温度达到了饱和温度，即上升段内已发生闪蒸现象。

图4 闪蒸不稳定Fig.4 Flashing oscillation

图5 沸腾伴随闪蒸不稳定Fig.5 Boiling accompanied with flashing oscillation

在中高功率工况下，由于加热功率较高，管内出现间歇性的沸腾现象，流体向加热管两端剧烈地喷发，瞬间在入口处引发倒流现象，同时喷发的流体进入上升通道，并诱发闪蒸现象，在闪蒸起始位置可明显看到空泡份额的增加。沸腾喷发结束后，加热管内压力急速下降，冷却水迅速涌入加热管，产生较大的流量，导致管内沸腾被抑制，同时加热管出口水温下降，上升段内闪蒸起始点随之上移，导致自然循环驱动力下降，循环流量降低，随后再次引发管内沸腾、闪蒸点下移等过程。此时流动不稳定被称为沸腾伴随闪蒸不稳定。图5为典型的该类流动不稳定的振荡曲线，该工况下，加热管内周期性地出现沸腾和单相流动现象，闪蒸起始点沿上升管段周期性振荡。流量曲线的振荡周期稳定，一个振荡周期内包含大小不同的两个波峰。大波峰对应于闪蒸和管内沸腾共同激发的流量峰值，其振幅稳定；而小波峰对应管内沸腾激发的流量峰值，其振幅随加热段入口水温的升高而增加。

3) 密度波振荡

对于高加热功率工况，随着加热管入口水温进一步升高，管内出现剧烈的饱和沸腾现象，加热管出口处两相流体喷发现象剧烈，水平可视化管段出现快速转换的环状流和泡状流交替流动，上升段内呈现搅混流动，未发现明确的闪蒸起始位置。图6为典型的密度波振荡曲线，流体在加热管出口处保持饱和状态，而在上升段内则保持过热状态。循环流量呈正弦形式振荡，振荡周期稳定，大致为特征时间τ(气液两相流体流经热管段的平均时间)的1.5～2倍。

图6 密度波振荡不稳定Fig.6 Density wave oscillation

3 流动不稳定演化过程及不稳定区间

开式自然循环系统启动过程经历多种流动不稳定，而加热管内沸腾和上升段内的闪蒸是导致流动不稳定的主要原因。随着加热管入口水温的升高，两者的强度不断发生变化，导致自然循环流量、冷却剂相变位置及空泡份额随之发生变化。在启动初期，循环模式由过冷沸腾诱发的喷泉不稳定主导。随着主流温度的升高，欠热沸腾汽泡的冷凝现象被抑制，客观上抑制了喷泉不稳定；同时加热管出口水温升高，导致上升段内出现闪蒸现象，诱发上升段内空泡份额剧烈变化，造成较大的流量波动，此时系统不稳定由闪蒸现象主导。而对于中高功率工况发展期，管内沸腾和闪蒸现象都很强烈，流动不稳定由两者共同主导。此时，由于流体先经过加热管发生沸腾，引发空泡份额剧烈变化，而后进入上升段发生闪蒸，虽然闪蒸诱发质量含气率大幅增加，但是由于空泡份额与质量含气率间的非线性关系(空泡份额在低质量含气率区随着含气率增加而增加显著，在高质量含气率区则变化不明显)，闪蒸后空泡份额并无明显变化，故此类工况下管内沸腾对系统流动不稳定的影响更为显著，此时系统的振荡周期主要由沸腾周期来控制，流量振荡的波形则由管内沸腾和闪蒸共同影响。至中高功率的启动末期时，系统处于稳定的汽液流动或密度波振荡的流动状态，加热管内饱和沸腾现象非常强烈，而上升管内的闪蒸现象被明显地抑制，此时系统的流动不稳定由管内沸腾主导。

本文采用传统的相变数和过冷度数[10]，对开式自然循环启动过程进行无量纲化处理，其中相变数Npch表征通过单位质量流量的功率输入，同时考虑了物性参数的影响；过冷度数Nsub表征加热段入口流体过冷程度，同时也考虑了物性参数的影响。其计算公式如下：

(1)

(2)

式中：hf为加热管入口处饱和水焓，kJ/kg；hin为加热管入口处冷却水焓，kJ/kg；νfg为饱和蒸汽与饱和水的比容差，m3/kg；νf为饱和水的比容，m3/kg；hfg为汽化潜热，kJ/kg；Q为加热功率，kW；Mw为冷却水质量流量，kg/m3。对于振荡工况，循环流量、出口饱和水焓等参数采用相应振荡周期内的算术平均值。

图7为开式自然循环系统启动过程的无量纲化流动不稳定分布。图中，实心点为不同加热功率下，系统启动各阶段的相变数和过冷度数间的关系；实线为拟合得到的不稳定区域的边界线。随着加热功率的增大，开式自然循环系统的单相稳定区域和喷泉不稳定区域减小，而闪蒸或喷泉伴随闪蒸不稳定区域增加。当加热功率大于某临界值后，系统最终将不会达到稳定的两相流动区域，转而进入密度波震荡区域。

图7 开式自然循环系统无量纲化流动不稳定分布Fig.7 Non-dimensional oscillating distribution of open natural circulation system

图7中的虚线箭头则表示开式自然循环系统启动过程中相变数和过冷度数之间的变化趋势。中低加热功率启动过程及高加热功率的发展阶段，相变数会随着过冷度数的降低而降低，即随着加热管入口水温升高，上升段内空泡份额及自然循环驱动力明显增加，导致流量增加，单位质量流体的受加热程度减小，相变数降低。而对于高功率启动末期，系统处于密度波振荡状态，随着加热管入口水温升高，自然循环的流动阻力明显增加，导致循环流量降低，单位质量流体的受加热程度增加，因此相变数随过冷度数的降低而升高。

图8 喷泉不稳定和闪蒸不稳定起始点的经验关系式Fig.8 Experimental correlation of start point of geysering oscillation and flashing oscillation

对无量纲化结果进行分析发现，启动过程的喷泉不稳定和闪蒸不稳定起始时，对应的相变数与过冷度数之间呈线性关系，如图8所示。通过线性拟合得到喷泉不稳定和闪蒸不稳定起始边界的经验关系式，即式(3)、(4)，拟合效果良好，与实验数据间的平均相对偏差在10%以内。

喷泉不稳定起始点经验关系式：

Nsub=0.871Npch+27.67

(3)

闪蒸不稳定起始点经验关系式：

Nsub=0.977 1Npch+6.204

(4)

4 结论

本文针对开式自然循环系统启动特性进行了实验研究，得到以下结论：

1) 开式自然循环系统启动过程的流动演化过程与加热功率关系密切。在低加热功率下，系统依次经历单相循环、喷泉不稳定和闪蒸不稳定；在中等加热功率下，系统依次经历单相流动、喷泉不稳定及沸腾伴随闪蒸不稳定后，最后演化为稳定的汽液流动；而在高加热功率下，系统依次经历单相流动、喷泉不稳定及沸腾伴随闪蒸不稳定后，最后演化为密度波振荡。

2) 实验表明，影响开式自然循环流动特性的主要因素是管内沸腾和闪蒸现象，启动过程中，随着加热段入口水温的升高，管内沸腾逐渐增强，而闪蒸则经历了先增强后减弱的过程，两者共同作用，导致系统流量、相变位置和空泡份额分布等参数的变化，形成了流动演化的过程。

3) 根据实验结果，绘制了开式自然循环启动过程中无量纲化的流动不稳定区域图，并拟合得到喷泉不稳定和闪蒸不稳定起始条件的经验关系式，拟合结果与实验结果符合较好，平均相对偏差在10%以内。

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Experimental Investigation of Startup Characteristics in Open Natural Circulation System

HOU Xiao-fan, SUN Zhong-ning*, FAN Guang-ming, DING Ming, SU Ji-qiang

(FundamentalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratory,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

An experimental investigation on startup characteristics of open natural circulation system was performed. The results show that heating powers have significant influence on the flow characteristics evolvement during startup process. Namely, the system undergoes single-phase natural circulation, geysering oscillation and flashing oscillation under low power conditions; it undergoes single-phase natural circulation, geysering oscillation and boiling accompanied with flashing oscillation, and then develops into the steady circulation of two-phase flow under the medium power conditions, the system under the high power conditions undergoes the same evolvement process as that under the medium power conditions at beginning, and finally develops into density wave oscillation. The main reason leading to the evolution of flow characteristics during startup process is that the boiling in the heated tube continues to enhance, and the flashing phenomenon in the upflow-leg enhances at first, and then weakens, with the increase of the entrance temperature of the heated tube. The two factors interact with each other, which bring about the obvious changes of the system circulation flow rate, the phase transition positions and the void fraction. Finally, a non-dimensional flow instability map of the open natural circulation system during startup process was drawn. And empirical correlations of the instability boundaries for geysering oscillations and flashing dominated oscillations were established. The fitting results fairly well agree with experiment data.

open natural circulation; startup characteristic; flow instability; oscillating region distribution

2014-07-06;

2014-09-10

侯晓凡(1988—)，男，河北邯郸人，博士研究生，核能科学与工程专业

*通信作者：孙中宁，E-mail: sunzhongning@hrbeu.edu.cn

TL353

A

1000-6931(2015)10-1772-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1772