单棒表面沸腾危机现象可视化研究

郭俊良，刘 伟，桂 淼，刘 扬，孔焕俊，单建强

(1.西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安 710049；2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213)

临界热流密度(CHF)是反应堆的重要安全运行限值，深入研究反应堆燃料棒束CHF变化特性，建立棒束CHF高精度预测模型，对反应堆的合理设计及安全运行具有重要的意义[1-3]。可视化实验技术在沸腾行为的研究中十分普遍。近几年，CHF机理研究的发展方向是利用可视化技术对加热面附近局部沸腾结构和气泡行为进行更加细致的观测与分析，对现有CHF机理模型进行验证和完善。然而，由于现有的可视化实验图像质量较差，定性和定量结果较少，导致现有的CHF机理模型的背景薄弱。同时，现有可视化实验结果的不一致性也给CHF机理模型的建立带来了挑战。到目前为止，即使是简单的圆管通道，偏离核态沸腾(DNB)型CHF仍存在争议[4-6]。Mattson等[7]在水平方形通道内使用R-113进行了CHF可视化实验，结果表明，发生沸腾危机的位置同时存在膜态沸腾和核态沸腾两种换热模式，加热表面形成了扁平的间歇性蒸汽层。Galloway等[8]以FC-87为工质，在低压矩形通道内进行CHF可视化实验，在接近沸腾危机时观察到界面波的产生，液体与受热表面之间的润湿特性发生周期性的变化，当波动面不能有效地带走加热表面的热量沸腾危机就会发生。Chang等[9]在矩形通道中使用常压水进行了CHF可视化实验，观察到过热液层、气泡层和液芯三层结构。尽管关于CHF可视化的研究已有了一些结果，但仍没有完全理解DNB型沸腾危机触发的机制。这是由于与大量CHF研究相比，可视化实验研究相对较少，且大多数可视化研究是在低、中压下的环形通道或矩形通道中进行的[10-11]。目前对于典型棒束通道(3×3棒束或5×5棒束)的可视化研究很少，因此有必要开展单棒通道内CHF可视化研究。

此外，为提高CHF，通常会在定位格架上装有搅混翼叶片，从而提高反应堆的安全阈值。一般认为，搅混翼叶片增强CHF的机理是促进流体的湍流混合、诱导旋流或侧向流动。Chung等[12]研究了在低压低质量流速条件下定位格架和搅混翼叶片对环形通道和圆管内CHF的影响：当质量流速高于阈值时CHF增加；当质量流速低于阈值时CHF不受影响甚至降低。将液滴引入加热表面(使CHF增加)和液膜破裂(使CHF降低)这两种作用认为是主要作用机理。然而，他们研究针对的只是干涸(Dryout)型沸腾危机，而对于压水堆工况下的DNB型沸腾危机，搅混翼叶片的增强机理尚不明确。

由于搅浑翼叶片可改变棒表面附近的气泡行为，因此本文对搅混翼叶片对气泡行为的影响进行可视化研究，这有助于理解搅混翼叶片的强化机理。

1 可视化实验装置

1.1 实验系统

本研究在西安交通大学氟利昂可视化CHF实验台架上进行，实验装置如图1所示。氟利昂(R-134a)作为流体工质从储存罐中流出后经球阀和过滤器进入磁力泵中。从磁力泵流出的工质一部分通过旁路回到储存罐，另一部分经过气动阀进入预热段和实验段。稳压器为氮气式稳压器，可通过调节氮气的充气量控制系统的压力。预热段通过交流电源加热，使工质达到实验工况所需的进口温度。预热段出口装有直径3 mm的T型铠装热电偶以实时监测预热段出口温度。实验段进口装有调节阀，以防止低流量下发生流动不稳定性。工质从实验段出口流出后进入套管式换热器，在换热器中被冷却到常温回到储存罐。储存罐上装有安全阀，保障实验系统的安全。

1——储存罐；2——过滤器；3——离心泵；4——主路阀；5——旁路阀；6——质量流量计；7——稳压器；8——氮气瓶；9——预热段；10——实验段；11——冷凝器；12——冷却塔；13——离心泵；P——压力测点；T——温度测点图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test facility

1.2 实验段

为了模拟压水堆堆芯棒束的局部区域，设计了1个单棒方形通道的实验段。实验段横截面如图2所示，在19 mm×19 mm的不加热方形通道内放置1根外径为9.5 mm的直接加热棒。加热棒的上下极铜板直接与直流电源连接，实现加热棒的均匀释热。流道的水力当量直径De为10.97 mm，与目前典型压水堆典型栅元的水力当量直径相同。加热棒材料为Inconel 690，壁厚为1 mm。实验段的整体结构如图3所示，实验段中心加热棒有效加热长度为1 344 mm，包括300 mm的入口段和两个522 mm的跨距。实验段前后的可视化窗口可观察范围包括从第2个跨距开始位置到有效加热长度末端位置。

实验段格架位置如图3所示。格架1有两种形式，一种为图3右边所示的带搅混翼叶片的格架，另一种是无搅混翼叶片的简单支撑格架，用来对比并探究搅混翼对气泡行为及CHF的影响。格架2为无搅混翼叶片的简单支撑格架。

实验段的测量仪器布置如图4所示。在靠近实验段出口的4个轴向位置布有6个K型铠装热电偶以监测沸腾危机现象的发生。当单棒表面壁温或温升速率达到设定值(Tmax=150 ℃，δT/δt=5 ℃/s)，数据采集系统自动识别沸腾危机并切断电源，以防止加热棒损坏。为了探究流动沸腾棒表面气泡行为，在实验段出口的前后两侧装有长为522 mm的高硼硅玻璃窗口。此外，实验还配备了高速摄像机、微距镜头、提供前光的光纤光源、提供背光的LED光源和计算机软件，共同构成可视化系统。实验段和预热段均采用足够厚的保温棉包裹，与周围环境的热损失小于加热功率的2%。

图4 可视化系统原理图Fig.4 Schematic diagram of visualization system

1.3 实验工况及不确定度

实验工况按照压水堆典型参数范围选取，并通过目前广泛使用的流体模化法[13]转换为等效的R-134a实验工况。虽然流体模化法没有从CHF机理层面被证明是可行的，但能在一定程度上表征高压水工况下的CHF特性。R-134a实验工况及等效水参数列于表1。实验各参数的不确定度列于表2。

表1 实验工况Table 1 Experimental condition

表2 实验不确定度分析Table 2 Uncertainty analysis of experiment

本研究将对上述R-134a实验工况分别开展带搅混翼格架的全跨实验和不带搅混翼叶片的光棒实验，通过可视化的手段探究经过搅混翼和沸腾危机时的棒表面气泡行为。

2 可视化实验结果与分析

2.1 出口位置的流动沸腾现象

图5为光棒实验中观察到的发生沸腾危机时的典型流动沸腾现象。沸腾危机发生过程是一个快速的瞬态过程并伴随着壁温飞升。当热流密度达到某一值，再次增加热流密度壁温将不可控的迅速升高，此时的热流密度记为CHF，壁温飞升曲线如图6所示。在临近发生沸腾危机时，以图5、6的工况为例(p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃，临界含气率xc=-0.047)，内棒表面的壁温在82 ℃左右，壁面温度以2 ℃的幅度周期波动。此时对应图5a，可视化观察到流型属于典型的泡状流动，大量的气泡重叠在一起并覆盖到加热壁表面形成气泡层，工质处于核态沸腾阶段。由于气泡层的透光性较差，前光照射到气泡层上的绝大部分光线会在气泡表面反射后进入到高速摄像机镜头中，在可视化图像中呈现亮色。除气泡层外，在图5a中还观察到加热棒表面出现细小的条状黑带(红色框处)。黑带为内棒表面，是由于内棒表面局部的换热模式转变造成的：临近沸腾危机时，内棒表面气泡的壅塞阻碍了主流流体通过湍流脉动进入到加热壁面。由于过密的气泡层无法带走壁面热流，气泡层内的液体沸腾使其连成气膜，气膜的透光性很好，光线进入透过气膜到达棒表面并反射回来，可清晰地看到棒表面。交替的气膜从内棒表面经过是造成壁温波动的原因，但由于其他部分的棒表面处于核态沸腾阶段，壁温并未不可控的骤升。不同实验工况观察到，黑带出现的起始位置(或称膜态沸腾起始位置)有一定的随机性，这是由于气泡运动的随机性造成的。

前光拍摄，p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃；xc=-0.047时间：a——t=17.67 s；b——t=18.07 s；c——t=18.37 s；d——t=19.52 s；e——t= 20.51 s；f——t=20.95 s图5 发生沸腾危机时的典型流动沸腾现象Fig.5 Typical flow boiling phenomena at boiling crisis

此时，再增加实验段加热功率(大约增加原加热功率的1%)，壁温将不可控的骤升。壁温从82 ℃迅速升到150 ℃(触发切断电源)，整个过程持续了3 s左右，平均温升速率为14 ℃/s，即发生CHF现象。此时的热流密度即为该工况下的CHF。在壁温飞升过程中，对应图5b～f，黑带逐渐变宽并沿内棒表面向周向扩展直至棒表面形成稳定的膜态沸腾，完成核态沸腾阶段向膜态沸腾阶段的转变，即发生沸腾危机现象。

前光拍摄，p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃图6 发生沸腾危机时壁温飞升曲线Fig.6 Typical wall temperature curve at boiling crisis

2.2 定位格架对气泡运动的影响

本研究通过可视化的方式观察带搅混翼叶片的定位格架对气泡运动行为的影响，这有助于解释不同条件对CHF的影响规律。

图7为不同热流密度下定位格架前后的气泡行为。定位格架对气泡运动的影响可分为下部(条带-弹簧)和上部(搅混翼)的影响。当热流密度为55%CHF时，此时气泡直径较小，气泡主要集中在棒表面向上运动，从格架的条带和弹簧内部穿过而未被割裂。当热流密度为80%CHF时，空泡份额增大，格架上游的气泡明显增多。此外，气泡由于聚合的作用，直径也随之变大。在经过条带-弹簧时，大气泡被割裂成细小气泡，使格架下游的气泡尺寸变小。在经过搅混翼时，倾斜的叶片会给气泡和液体施加一个作用力，水平方向的分力使气泡和液体横向运动。横向运动的气泡和液体增加了内棒表面附近的湍流搅混速率。内棒周围4个不同角度的叶片对气泡和液体起到引流、导向的作用，使之围绕内棒呈螺旋状上升。由图7可看出，经过带搅混翼叶片的定位格架后，气泡被分散到远离内棒表面的区域。气泡进入到过冷的主流区随即湮灭。当热流密度为96%CHF时，上述现象更加明显。

前光拍摄，p=1.8 MPa，G=2 100 kg/(m2·s)，ΔTin=20 ℃第1行为搅混翼格架的下游，第2行为搅混翼格架的上游图7 格架及其搅混翼对气泡行为的影响Fig.7 Influence of grid and mixing-vane on bubble behavior

2.3 定位格架对CHF的影响

不同质量流速下临界含气率(实验段出口的热力学含气率)与CHF的关系如图8所示。图8中工况的压力为1.8 MPa，并比较了带搅混翼叶片的格架和无搅混翼叶片的简单支撑格架两种实验段形式的CHF，即搅混翼叶片对CHF的影响。总的来说，不论有无搅混翼叶片CHF均随临界含气率的增加而减小，搅混翼叶片对CHF的影响规律在高质量流速和低质量流速下有明显不同。当质量流速为600 kg/(m2·s)时，与无搅混翼叶片相比CHF几乎没有增加；当质量流速增加到1 200 kg/(m2·s)和1 800 kg/(m2·s)时，等临界含气率条件下，带搅混翼叶片的CHF明显大于无搅混翼叶片的CHF，CHF得到了强化。这种强化趋势可由2.2节中可视化结果解释：实验段为单棒方形通道，外壁的方腔未加热。由于冷壁效应的存在，气泡聚集在内加热棒表面，流道焓的分布是不均匀的(内棒表面焓最高，外璧方腔表面的焓最低)。在经过带搅混翼叶片的定位格架时，叶片的横向作用力使气泡和液体横向运动。这种作用一定程度的增加了气泡层与主流区之间的湍流搅混速率，使通道内焓的分布更加均匀。此外，叶片促进气泡的脱离，加强壁面与流体之间的换热，从而强化了CHF。

图8 不同质量流速下搅混翼对CHF的影响Fig.8 Effect of mass flux on CHF by mixing-vane

经过搅混翼叶片强化后的湍流搅混速率会沿着流动方向衰减(对应气泡层重新分布)。初始的强化量与雷诺数呈正相关；衰减速率与雷诺数呈正相关，与距定位格架的距离呈负相关[14-15]。因此，在低质量流速下经过定位格架后增强的湍流搅混速率衰减速率很快，而格架距离出口位置相对较长，所以CHF并未得到强化。

图9给出不同压力下质量流速分别为600 kg/(m2·s)和1 800 kg/(m2·s)时的搅混翼叶片对CHF的影响。结果表明，当质量流速为600 kg/(m2·s)时，任何压力下搅混翼叶片对CHF均未起到强化作用。但质量流速为1 800 kg/(m2·s)时，在所有压力下均可观察到CHF的增强，且CHF的强化比随压力的增加而略有增加。

质量流速：a——600 kg/(m2·s)；b——1 800 kg/(m2·s)图9 不同压力下搅混翼对CHF的影响Fig.9 Effect of pressure on CHF by mixing-vane

3 结论

本文以R-134a为工质，在垂直单棒方形通道中进行了CHF实验。实验工况由流体模化法并结合典型压水堆运行工况确定。通过可视化的手段，观察发生CHF过程中的现象以及定位格架对CHF增强的影响，所得结论如下。

1) 观察到单棒方形通道内完整的沸腾危机现象。临近沸腾危机时，内棒表面的气泡壅塞造成局部的膜态沸腾，壁温处于波动状态，膜态沸腾起始位置具有一定的随机性；发生沸腾危机过程中，气膜逐渐变宽并沿内棒表面向周向扩展直至棒表面形成稳定的膜态沸腾，完成核态沸腾阶段向膜态沸腾阶段的转变。

2) 通过可视化的手段观察到定位格架对气泡行为的影响，主要体现在条带-弹簧对气泡的撕裂作用和搅混翼叶片引起的旋流。大气泡被撕裂成小气泡破坏了气泡层的发展，搅混翼叶片引起的旋流增加了内棒表面附近的湍流搅混速率，这两种作用使得CHF强化。搅混翼叶片对CHF的增强作用随质量流速和压力的增加而增加，但低质量流速下，CHF强化作用不明显。