侯曉凡，孫中寧，范廣銘，丁 銘，宿吉強

(哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動特性研究

侯曉凡，孫中寧*，范廣銘，丁 銘，宿吉強

(哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動特性進行了實驗研究。實驗表明：不同加熱功率下，開式自然循環(huán)系統(tǒng)會經歷不同的流動演化過程。低加熱功率下，系統(tǒng)經歷單相循環(huán)、噴泉不穩(wěn)定，最終演化為閃蒸不穩(wěn)定；中等以及高加熱功率下，系統(tǒng)依次經歷單相循環(huán)、噴泉不穩(wěn)定和沸騰伴隨閃蒸不穩(wěn)定后，分別演化為穩(wěn)定的汽液流動和密度波振蕩。導致啟動過程流動演化的主要原因是隨著加熱管入口水溫的升高，管內沸騰現(xiàn)象持續(xù)增強，上升段內閃蒸現(xiàn)象則先增強而后減弱，兩者相互作用，導致系統(tǒng)流量、相變位置及空泡份額等發(fā)生明顯變化。最后，繪制了開式自然循環(huán)啟動過程的無量綱化流動不穩(wěn)定區(qū)域分布圖，并擬合得到了噴泉不穩(wěn)定及閃蒸主導的不穩(wěn)定起始邊界的經驗關系式，擬合結果與實驗結果符合良好。

開式自然循環(huán)；啟動特性；流動不穩(wěn)定；不穩(wěn)定區(qū)域分布

自然循環(huán)在化學工程、核動力等領域均得到廣泛應用，而在兩相自然循環(huán)建立過程中則不可避免地會產生流動不穩(wěn)定[1-2]。系統(tǒng)振蕩有可能會誘發(fā)裝置機械振蕩、系統(tǒng)控制等問題，在極端情況下還可能引起傳熱的惡化，導致傳熱壁面的燒毀[3]。目前針對閉式自然循環(huán)啟動過程流動特性的文獻報道較多[4-7]，然而針對開式自然循環(huán)系統(tǒng)的研究卻很少，開式系統(tǒng)由于運行壓力為常壓，系統(tǒng)易于發(fā)生沸騰、閃蒸等劇烈的相變過程；同時相對于閉式系統(tǒng)，開式系統(tǒng)缺少能容納系統(tǒng)壓力波動、抑制空泡份額變化和流量振蕩的封閉氣空間，因此更容易誘發(fā)流動不穩(wěn)定現(xiàn)象。Chiang等[8]曾以沸水堆啟動過程為背景，對開式自然循環(huán)啟動過程進行了實驗研究，但其入口溫度變化范圍較窄，且并未給出自然循環(huán)建立過程中的流動特性演化過程。本文在不同加熱功率下，對開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動過程中的流動特性變化過程進行系統(tǒng)的實驗研究。

1 實驗裝置和實驗方法

實驗裝置由加熱管、自然循環(huán)回路和高位水箱等部分組成(圖1)。冷卻水從高位水箱中流出，進入加熱管后被鍋爐產生的飽和蒸汽加熱，然后在冷熱段密度差的驅動下向上流動，經過可視化上升管段后，最終流回高位水箱?；氐剿涞膬上嗔黧w經過汽水分離后，氣相直接排放至大氣環(huán)境，液相繼續(xù)參與自然循環(huán)。

為觀測回路中冷卻水的流動特性，實驗裝置多處布置溫度、壓力測點，其中冷卻水溫度由Ⅰ級鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶測量，冷卻水壓力由0.1級的壓力傳感器測量，飽和蒸汽流量由0.5級的渦街流量計測量，自然循環(huán)流量由0.2級的電磁流量計測量。各測量儀表動態(tài)響應特性良好，準確性均經過專門的標定。實驗測量信號通過NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時采集和存儲。

圖1 實驗回路示意圖Fig.1 Sketch map of experimental loop

實驗時，向實驗回路中通入冷卻水，使水箱內的液面與汽水分離裝置出口齊平，同時向冷凝罐內持續(xù)通入飽和蒸汽，冷卻水在冷熱段密度差的驅動下發(fā)生自然循環(huán)。隨著加熱的進行，加熱管入口水溫不斷升高，直至達到穩(wěn)定(通常為(99.0±0.5) ℃)，實時采集這一過程中系統(tǒng)各測點的溫度、壓力變化，并觀察上升段中冷卻水的流動特性。系統(tǒng)加熱功率通過控制管外的飽和蒸汽壓力進行調節(jié)，功率通過蒸汽冷凝前后的焓差以及蒸汽流量計算得到，范圍為18.9～127.4 kW。

2 實驗結果分析

2.1 啟動過程中流量的時序變化

實驗結果表明，加熱功率對開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動過程中的流動不穩(wěn)定演化過程具有重要作用，不同的加熱功率下，開式自然循環(huán)系統(tǒng)會經歷不同的流動不穩(wěn)定過程。圖2為不同加熱功率下，開式自然循環(huán)啟動過程中自然循環(huán)流量的時序變化。

圖2 不同加熱功率下開式自然循環(huán)啟動過程的時間序列Fig.2 Startup time series of open natural circulation system under different heating powers

1) 在低加熱功率工況(曲線Ⅰ)下，系統(tǒng)依次經歷單相自然循環(huán)(a)、噴泉不穩(wěn)定(b)，最終演化為閃蒸不穩(wěn)定(c)；

2) 在中等加熱功率工況(曲線Ⅱ)下，系統(tǒng)依次經歷單相自然循環(huán)(a)、噴泉不穩(wěn)定(b)、沸騰伴隨閃蒸不穩(wěn)定(d)，最終演化為穩(wěn)定的氣液兩相流動(e)；

3) 在高加熱功率工況(曲線Ⅲ)下，系統(tǒng)依次經歷單相自然循環(huán)(a)、噴泉不穩(wěn)定(b)、沸騰伴隨閃蒸不穩(wěn)定(d)，最終演化為劇烈的密度波振蕩(f)。

上述的自然循環(huán)啟動過程經歷的典型流動不穩(wěn)定模式詳見2.2節(jié)。

2.2 典型不穩(wěn)定類型

1) 噴泉不穩(wěn)定

噴泉不穩(wěn)定是開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動過程中最先出現(xiàn)的不穩(wěn)定形式。如圖3所示，此時自然循環(huán)流量呈低振幅的不規(guī)則脈動，加熱管出口處流體處于過冷狀態(tài)，水平可視化管段內觀察到有汽泡間歇性地涌出，說明加熱管內發(fā)生了過冷沸騰，汽泡在水平可視管段內運動緩慢，且逐漸被冷凝。對于噴泉不穩(wěn)定，過冷沸騰汽泡隨機地產生、長大和冷凝是導致其發(fā)生的誘因。

圖3 噴泉不穩(wěn)定Fig.3 Geysering oscillation

實驗發(fā)現(xiàn)，不同加熱功率下，噴泉不穩(wěn)定起始時的入口水溫隨著加熱功率的增加而逐漸降低，通過Saha-Zuber模型[9]對過冷沸騰汽泡脫離點位置進行計算發(fā)現(xiàn)，當噴泉不穩(wěn)定起始時，汽泡脫離點的位置基本穩(wěn)定在加熱管出口附近。

2) 閃蒸不穩(wěn)定

隨著加熱段入口水溫的升高，加熱段出口水溫也升高，上升段內出現(xiàn)周期性的閃蒸汽化現(xiàn)象，從而誘發(fā)閃蒸不穩(wěn)定。閃蒸不穩(wěn)定或閃蒸主導的不穩(wěn)定現(xiàn)象主要出現(xiàn)在低功率工況后期及中高功率工況的發(fā)展期。

在低功率工況后期，由于加熱管入口水溫較高，管內已出現(xiàn)欠熱沸騰，欠熱沸騰產生的汽泡流出加熱管后，在水平可視化管段內被完全冷凝。這些汽泡通常較小且行程較短，因此對流量的擾動較小。隨后流體沿上升段向上流動，由于靜壓降低，在某一位置達到當?shù)仫柡蜏囟榷T發(fā)閃蒸。閃蒸增加了自然循環(huán)流量，導致加熱管出口水溫降低，閃蒸現(xiàn)象結束。上升段內流體恢復單相流動，導致流量降低，從而再次誘發(fā)閃蒸。此時系統(tǒng)振蕩由閃蒸不穩(wěn)定主導，振蕩周期穩(wěn)定，每次閃蒸前有一段較長的單相孕育階段。圖4為典型的閃蒸不穩(wěn)定工況，圖中T1、T2、T3分別表示加熱段出口、上升段入口及水箱入口處的溫度，Tp1、Tp2、Tp3則表示相應位置的飽和溫度。經比較發(fā)現(xiàn)，閃蒸發(fā)生時，加熱段出口及上升段入口處，流體溫度始終低于當?shù)仫柡蜏囟?，說明流體始終處于過冷狀態(tài)；而水箱入口處的溫度達到了飽和溫度，即上升段內已發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。

圖4 閃蒸不穩(wěn)定Fig.4 Flashing oscillation

圖5 沸騰伴隨閃蒸不穩(wěn)定Fig.5 Boiling accompanied with flashing oscillation

在中高功率工況下，由于加熱功率較高，管內出現(xiàn)間歇性的沸騰現(xiàn)象，流體向加熱管兩端劇烈地噴發(fā)，瞬間在入口處引發(fā)倒流現(xiàn)象，同時噴發(fā)的流體進入上升通道，并誘發(fā)閃蒸現(xiàn)象，在閃蒸起始位置可明顯看到空泡份額的增加。沸騰噴發(fā)結束后，加熱管內壓力急速下降，冷卻水迅速涌入加熱管，產生較大的流量，導致管內沸騰被抑制，同時加熱管出口水溫下降，上升段內閃蒸起始點隨之上移，導致自然循環(huán)驅動力下降，循環(huán)流量降低，隨后再次引發(fā)管內沸騰、閃蒸點下移等過程。此時流動不穩(wěn)定被稱為沸騰伴隨閃蒸不穩(wěn)定。圖5為典型的該類流動不穩(wěn)定的振蕩曲線，該工況下，加熱管內周期性地出現(xiàn)沸騰和單相流動現(xiàn)象，閃蒸起始點沿上升管段周期性振蕩。流量曲線的振蕩周期穩(wěn)定，一個振蕩周期內包含大小不同的兩個波峰。大波峰對應于閃蒸和管內沸騰共同激發(fā)的流量峰值，其振幅穩(wěn)定；而小波峰對應管內沸騰激發(fā)的流量峰值，其振幅隨加熱段入口水溫的升高而增加。

3) 密度波振蕩

對于高加熱功率工況，隨著加熱管入口水溫進一步升高，管內出現(xiàn)劇烈的飽和沸騰現(xiàn)象，加熱管出口處兩相流體噴發(fā)現(xiàn)象劇烈，水平可視化管段出現(xiàn)快速轉換的環(huán)狀流和泡狀流交替流動，上升段內呈現(xiàn)攪混流動，未發(fā)現(xiàn)明確的閃蒸起始位置。圖6為典型的密度波振蕩曲線，流體在加熱管出口處保持飽和狀態(tài)，而在上升段內則保持過熱狀態(tài)。循環(huán)流量呈正弦形式振蕩，振蕩周期穩(wěn)定，大致為特征時間τ(氣液兩相流體流經熱管段的平均時間)的1.5～2倍。

圖6 密度波振蕩不穩(wěn)定Fig.6 Density wave oscillation

3 流動不穩(wěn)定演化過程及不穩(wěn)定區(qū)間

開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動過程經歷多種流動不穩(wěn)定，而加熱管內沸騰和上升段內的閃蒸是導致流動不穩(wěn)定的主要原因。隨著加熱管入口水溫的升高，兩者的強度不斷發(fā)生變化，導致自然循環(huán)流量、冷卻劑相變位置及空泡份額隨之發(fā)生變化。在啟動初期，循環(huán)模式由過冷沸騰誘發(fā)的噴泉不穩(wěn)定主導。隨著主流溫度的升高，欠熱沸騰汽泡的冷凝現(xiàn)象被抑制，客觀上抑制了噴泉不穩(wěn)定；同時加熱管出口水溫升高，導致上升段內出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，誘發(fā)上升段內空泡份額劇烈變化，造成較大的流量波動，此時系統(tǒng)不穩(wěn)定由閃蒸現(xiàn)象主導。而對于中高功率工況發(fā)展期，管內沸騰和閃蒸現(xiàn)象都很強烈，流動不穩(wěn)定由兩者共同主導。此時，由于流體先經過加熱管發(fā)生沸騰，引發(fā)空泡份額劇烈變化，而后進入上升段發(fā)生閃蒸，雖然閃蒸誘發(fā)質量含氣率大幅增加，但是由于空泡份額與質量含氣率間的非線性關系(空泡份額在低質量含氣率區(qū)隨著含氣率增加而增加顯著，在高質量含氣率區(qū)則變化不明顯)，閃蒸后空泡份額并無明顯變化，故此類工況下管內沸騰對系統(tǒng)流動不穩(wěn)定的影響更為顯著，此時系統(tǒng)的振蕩周期主要由沸騰周期來控制，流量振蕩的波形則由管內沸騰和閃蒸共同影響。至中高功率的啟動末期時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的汽液流動或密度波振蕩的流動狀態(tài)，加熱管內飽和沸騰現(xiàn)象非常強烈，而上升管內的閃蒸現(xiàn)象被明顯地抑制，此時系統(tǒng)的流動不穩(wěn)定由管內沸騰主導。

本文采用傳統(tǒng)的相變數(shù)和過冷度數(shù)[10]，對開式自然循環(huán)啟動過程進行無量綱化處理，其中相變數(shù)Npch表征通過單位質量流量的功率輸入，同時考慮了物性參數(shù)的影響；過冷度數(shù)Nsub表征加熱段入口流體過冷程度，同時也考慮了物性參數(shù)的影響。其計算公式如下：

(1)

(2)

式中：hf為加熱管入口處飽和水焓，kJ/kg；hin為加熱管入口處冷卻水焓，kJ/kg；νfg為飽和蒸汽與飽和水的比容差，m3/kg；νf為飽和水的比容，m3/kg；hfg為汽化潛熱，kJ/kg；Q為加熱功率，kW；Mw為冷卻水質量流量，kg/m3。對于振蕩工況，循環(huán)流量、出口飽和水焓等參數(shù)采用相應振蕩周期內的算術平均值。

圖7為開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動過程的無量綱化流動不穩(wěn)定分布。圖中，實心點為不同加熱功率下，系統(tǒng)啟動各階段的相變數(shù)和過冷度數(shù)間的關系；實線為擬合得到的不穩(wěn)定區(qū)域的邊界線。隨著加熱功率的增大，開式自然循環(huán)系統(tǒng)的單相穩(wěn)定區(qū)域和噴泉不穩(wěn)定區(qū)域減小，而閃蒸或噴泉伴隨閃蒸不穩(wěn)定區(qū)域增加。當加熱功率大于某臨界值后，系統(tǒng)最終將不會達到穩(wěn)定的兩相流動區(qū)域，轉而進入密度波震蕩區(qū)域。

圖7 開式自然循環(huán)系統(tǒng)無量綱化流動不穩(wěn)定分布Fig.7 Non-dimensional oscillating distribution of open natural circulation system

圖7中的虛線箭頭則表示開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動過程中相變數(shù)和過冷度數(shù)之間的變化趨勢。中低加熱功率啟動過程及高加熱功率的發(fā)展階段，相變數(shù)會隨著過冷度數(shù)的降低而降低，即隨著加熱管入口水溫升高，上升段內空泡份額及自然循環(huán)驅動力明顯增加，導致流量增加，單位質量流體的受加熱程度減小，相變數(shù)降低。而對于高功率啟動末期，系統(tǒng)處于密度波振蕩狀態(tài)，隨著加熱管入口水溫升高，自然循環(huán)的流動阻力明顯增加，導致循環(huán)流量降低，單位質量流體的受加熱程度增加，因此相變數(shù)隨過冷度數(shù)的降低而升高。

圖8 噴泉不穩(wěn)定和閃蒸不穩(wěn)定起始點的經驗關系式Fig.8 Experimental correlation of start point of geysering oscillation and flashing oscillation

對無量綱化結果進行分析發(fā)現(xiàn)，啟動過程的噴泉不穩(wěn)定和閃蒸不穩(wěn)定起始時，對應的相變數(shù)與過冷度數(shù)之間呈線性關系，如圖8所示。通過線性擬合得到噴泉不穩(wěn)定和閃蒸不穩(wěn)定起始邊界的經驗關系式，即式(3)、(4)，擬合效果良好，與實驗數(shù)據(jù)間的平均相對偏差在10%以內。

噴泉不穩(wěn)定起始點經驗關系式：

Nsub=0.871Npch+27.67

(3)

閃蒸不穩(wěn)定起始點經驗關系式：

Nsub=0.977 1Npch+6.204

(4)

4 結論

本文針對開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動特性進行了實驗研究，得到以下結論：

1) 開式自然循環(huán)系統(tǒng)啟動過程的流動演化過程與加熱功率關系密切。在低加熱功率下，系統(tǒng)依次經歷單相循環(huán)、噴泉不穩(wěn)定和閃蒸不穩(wěn)定；在中等加熱功率下，系統(tǒng)依次經歷單相流動、噴泉不穩(wěn)定及沸騰伴隨閃蒸不穩(wěn)定后，最后演化為穩(wěn)定的汽液流動；而在高加熱功率下，系統(tǒng)依次經歷單相流動、噴泉不穩(wěn)定及沸騰伴隨閃蒸不穩(wěn)定后，最后演化為密度波振蕩。

2) 實驗表明，影響開式自然循環(huán)流動特性的主要因素是管內沸騰和閃蒸現(xiàn)象，啟動過程中，隨著加熱段入口水溫的升高，管內沸騰逐漸增強，而閃蒸則經歷了先增強后減弱的過程，兩者共同作用，導致系統(tǒng)流量、相變位置和空泡份額分布等參數(shù)的變化，形成了流動演化的過程。

3) 根據(jù)實驗結果，繪制了開式自然循環(huán)啟動過程中無量綱化的流動不穩(wěn)定區(qū)域圖，并擬合得到噴泉不穩(wěn)定和閃蒸不穩(wěn)定起始條件的經驗關系式，擬合結果與實驗結果符合較好，平均相對偏差在10%以內。

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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

侯曉凡(1988—)，男，河北邯鄲人，博士研究生，核能科學與工程專業(yè)

*通信作者：孫中寧，E-mail: sunzhongning@hrbeu.edu.cn

TL353

A

1000-6931(2015)10-1772-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1772