低压自然循环系统流动闪蒸过程流型研究

房玉良，曹夏昕，倪 嵩，程 俊，范广铭

(1.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；2.西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安 710049；3.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

低压自然循环系统具有结构简单、排热能力强、可靠性高等优良性能，因此被应用在反应堆安全系统的设计中，比如先进压水堆的非能动安全壳热量导出系统[1]。由于该系统运行压力低，流体经过加热后，进入上升段向上流动时，随着静压的不断降低，会因流体过热而产生闪蒸汽化现象。随着汽化的不断进行，所呈现出的流型也将不断变化。流型的确定对于准确计算闪蒸诱发的两相自然循环流动特性有重要意义，因此有必要对闪蒸诱发的两相流流型演变进行分析。

关于流动闪蒸方面，国内外相关学者已开展了大量的研究，并取得了丰富的研究成果[2-10]。其中，在核供热堆和沸水堆研究领域，一些学者着手研究了流动闪蒸过程的流型问题。其中，吴少融等[11]基于HRTL5实验回路进行了低压自然循环两相流流型及流型对密度波不稳定性影响的研究，通过可视化与局部压差信号识别对流型进行分类，并提出采用有物理含义的斯特劳哈尔数Sr判别流型。Mesquita等[12]结合可视化观察，利用模糊流型识别系统对两相自然循环流型图像进行灰度处理，通过与实验结果对比成功地判别了流型。Manera等[13-14]利用网格电导传感器研究了闪蒸流动不稳定过程中流型的变化。实际上，对于低压自然循环系统，由于闪蒸诱发的两相流流型演变是比较复杂的，在不同的热工参数运行范围下，所呈现的流型类型也不尽相同。为此，本文在较宽的运行参数范围内，采用可视化实验方法和网格式电导传感器(wire-mesh sensor, WMS)流型反衍技术对低压自然循环系统内流动闪蒸过程中的流型开展研究。

1 实验系统与方法

实验系统如图1所示，主要由可视化上升段、开式水箱、下降段以及电加热器和水平段组成。上升段采用耐温PC透明管，长约5 m，内径50 mm，壁厚10 mm。实验中，流体流经预热器加热到设定温度后，热流体进入可视化上升段，当流体温度高于当地压力下的饱和温度时，热流体会汽化产生蒸汽，形成气液两相流动。而后混合流体进入水箱，蒸汽经过水箱冷凝，流体再次进入下降段，进入下一个循环流动过程。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic of experiment system

为测量流体在上升过程中的温度变化，在可视化上升段内沿轴向等间距布置了多个温度测点，如图1所示。同时，实验中采用了高速摄影仪和WMS记录闪蒸过程中两相流型沿轴向的演变过程。高速摄影采样频率100 pps，像素800×1 600，WMS流型反衍是利用金属丝网测得电导率通过相关算法得到流型的瞬时影像。

实验中，采用精度为0.5 ℃的Ⅰ级T型铠装热电偶测量流体温度，采用精度为0.05%的压差传感器测量差压，采用精度为0.045%的电磁流量计测量循环流量。所有仪器仪表在使用前均统一经过标定。所有测量信号均通过NI高速数据采集系统进行采集记录。为降低散热对实验结果的影响，上升段采用壁厚为10 mm的PC管，其他管路及水箱均做了保温处理。同时，为评价数据结果的可靠性与准确性，本文对实验结果的不确定度进行了计算，如表1所列。

表1 测量参数的不确定度Table 1 Uncertainty of measurement parameter

注：A类不确定度为样本标准差；B类不确定度为系统不确定度

2 实验结果与分析

2.1 闪蒸过程中的流型

闪蒸汽化过程与加热沸腾相似，但又不完全相同。闪蒸汽化点可从壁面产生，也可从液体内部产生，关键取决于汽化核心的位置。如果是纯净的液体，内部不含任何微小杂质或不凝性气体，则汽化主要从壁面上产生。因此，一旦存在汽化核心点，当流体存在一定过热度时，就会在汽化核心位置处因热不平衡效应首先产生汽化。即如果流体的热不平衡程度是诱发闪蒸汽化的充分条件，那么汽化核心的存在则是促进汽化产生的必要因素。同时，流动闪蒸过程中的流型及其演变也与流动状态是否稳定密切相关。

1) 稳定流动状态

图2示出了流体入口温度107 ℃、水箱液位高度18 cm、循环流速0.83 m/s的运行条件下，拍摄记录的典型闪蒸稳定流动过程的流型。由于本文采用PC透明管作为上升段，其内壁较为光滑，因此，实验中基本观察不到从壁面汽化的现象。当流体向下游流动达到一定过热度后，汽化首先是在插入的热电偶表面产生。一方面，金属壳体表面提供汽化核心，另一方面过热流体绕流通过热电偶时，产生小扰动，加速了汽化的发生。从现象来看，在热电偶表面沿流动方面形成火焰状汽泡，汽泡尾部不断撕裂，形成小汽泡进入主流中，形成典型的泡状流。因热电偶是插入到上升段中心，因此，脱离后的汽泡群在一段的运动距离内是非对称的，如图2a所示。

图2 闪蒸稳定流动状态下的两相流型Fig.2 Type of flow pattern with flashing under stable condition

脱离上升的汽泡由椭球状发展成尾部平滑、顶部凸起的不规则形状，直径为5～20 mm。汽泡在向上流动的过程中逐渐长大，相邻汽泡会发生碰撞、聚合，如图2b所示。过热液体在向下游流动过程中，压力逐渐降低，自闪蒸起始点之后的汽化过程相对缓慢，因此，泡状流区间相对较长，在此区域内流体依然存在一定的过热度。

随着流体向下游流动，静压逐渐减小，汽化不断进行，含汽率增加，大量小汽泡弥散在不规则汽块的周围，流型从弹-泡状流过渡到搅混流状态，如图2c～l所示。此时，流道内已处于充分闪蒸阶段，充满了过热液体和蒸汽汽泡。由于上升流道不可避免地会散发热量，因此流道内还会存在较少的过冷流体。在搅混流流态下，汽泡的产生量大于冷凝量，总体来看气相含量沿轴向仍在不断增加。

随轴向高度的增加，汽化持续进行，搅混流会过渡到细束环状流，如图3所示。借助于WMS流型反衍技术，可得出上升段出口位置处的两相流型瞬态图像。从图3可看出，WMS位置处气相是连续的，气相中夹带有液相，液相贴壁向上流动，液膜厚度不均。液膜受气相扰动呈现波状，液膜内还包含散乱小汽泡，部分液膜被汽流撕裂带入汽芯，形成细束环状流。

图中白色和蓝色分别代表气相和液相图3 WMS流型反衍瞬态图Fig.3 Flow pattern reconstructed from WMS

2) 不稳定流动状态

图4示出了流体入口温度在104～105 ℃范围内，上升段内出现的两相流流型。在此工况下，弹状流间歇产生，流动处于不稳定状态，整个回路循环流量出现剧烈的波动，同时上升段入口温度和压降也出现了周期性波动(图5)。从图4可看出，在该工况下，汽化同样是在插入的热电偶表面产生，随汽化的不断发展，流型从泡状流转变为弹状流，汽弹长度逐渐变长。

2.2 闪蒸起始点及稳定流动区间确定

由上述现象可知，流型的演变和发展不仅与诱发闪蒸开始的扰动条件有关，也与运行工况密不可分。当热工参数有变化时，流动状态发生改变，流型存在的类型及区间也会发生变化，因此，有必要结合热工参数变化确定闪蒸起始点及流动的稳定性边界。

1) 闪蒸起始位置

图6示出了不同上升段入口温度下，流体沿轴向相对位置z/L的时均温度变化，其中z为上升段内某一位置高度，L为上升段总高度。

图4 闪蒸流动不稳定状态下流型Fig.4 Flow pattern with flashing under unstable condition

图5 流动不稳定状态下热工参数变化Fig.5 Change of thermal parameter under unstable condition

从图6可看出，在不同的上升段入口温度下，流体温度在不同的高度处发生了突降。结合闪蒸发生机理可知，当过热液体的温度超过当地压力下的饱和温度时，在微小扰动的诱发下，会释放热量产生蒸汽，因此，一旦闪蒸现象发生，流体温度必然降低。结合流体温度沿轴向的变化规律，可确定流体温度的突降点即为闪蒸发生的起始点。从图6还可知，加热功率越大，上升段入口流体温度越高，流体温度出现转折点的位置距上升段出口越远，闪蒸两相段越长。反之，加热功率越低，流体温度出现转折点位置距上升段出口越近，闪蒸两相段越短。

图6 不同上升段入口温度下流体温度沿轴向位置变化Fig.6 Axial change of fluid temperatures under different inlet temperatures

2) 流动稳定性区间

由上述分析可知，在闪蒸稳定流动状态下的流型与不稳定状态下的流型是不同的，因此，有必要对流动稳定性区间进行划分。本文采用过冷数Nsub和闪蒸数Nflash对闪蒸不稳定边界进行确定[15]，即：

(1)

(2)

式中：h为比焓，kJ/kg；hγ为汽化潜热，kJ/kg；ρf、ρg分别为饱和水和饱和蒸汽密度，kg/m3；cpf为饱和水比定压热容，kJ/(kg·K)；T为流体温度，℃；α为截面平均含汽率；下标s表示饱和状态，in表示上升段入口处。

图7示出了闪蒸流动稳定区域分布。

从图7可看出，在Nsub小于12、Nflash介于4～5之间时，闪蒸诱发的两相流动处于稳定的流动状态。当Nsub大于12，即流体温度低于105 ℃时，闪蒸两相段很短，两相段内流型主要是泡状流，此时驱动流体循环流动的主要动力还是来自于上升段内的单相段流体与下降段流体的密度差产生的驱动力，因此流体处于稳定的流动状态。

图7 闪蒸流动稳定区域分布Fig.7 Distribution of flashing flow stability region

3 结论

本文通过高速摄影技术和WMS流型反衍技术对低压自然循环流动闪蒸过程中的流型开展研究，通过分析，得出结论如下。

1) 在闪蒸诱发的自然循环两相稳定流动状态下，上升段内流型主要有泡状流、弹(帽)状流、搅混流及细束环状流。在两相不稳定流动状态下，上升段内间歇产生泡状流和弹状流。

2) 通过对流体温度的轴向变化规律分析，确定流体温度沿轴向位置变化的转折点即为闪蒸起始位置。加热功率越大，流体过热度越高，闪蒸两相段越长。

3) 采用无量纲Nsub和Nflash对闪蒸诱发的两相流动状态进行了划分。当Nsub小于12、Nflash介于4～5之间时，闪蒸诱发的两相自然循环流动处于稳定的流动状态。