向 延，孫都成，章 靜，劉建昌，巫英偉，張 鵬，秋穗正

（1.西安交通大學核科學與技術(shù)學院，陜西西安 710049；

2.國核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 100190）

雙端進氣T型管夾帶試驗研究

向 延1，孫都成1，章 靜1，劉建昌1，巫英偉1，張 鵬2，秋穗正1

（1.西安交通大學核科學與技術(shù)學院，陜西西安 710049；

2.國核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 100190）

本文以AP1000為原型，通過?；治鲈O(shè)計建造了試驗臺架（ADETEL），進行了雙端進氣夾帶起始和夾帶率試驗。用高速攝像儀對試驗現(xiàn)象進行記錄，并將試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型進行了對比。結(jié)果表明，由于試驗段結(jié)構(gòu)及試驗條件不同，本文試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)存在較大差異。試驗中還對夾帶頻率進行了研究。結(jié)果顯示，在夾帶率較低時，夾帶周期隨夾帶率的增加而顯著減小，夾帶率較大時夾帶周期逐漸趨于穩(wěn)定。

雙端進氣；夾帶起始；夾帶率；可視化

T型管廣泛應(yīng)用于工程實際中，可起到相分離和流量分配的作用。AP600／AP1000核電廠中第4級自動降壓系統(tǒng)（ADS-4）采用T型結(jié)構(gòu)，可在小破口事故中對主回路進行卸壓［1－2］。

Zuber［3］于1980年提出了核電廠小破口事故中液滴夾帶的重要性。在隨后的幾十年里，學者對豎直向上的T型管夾帶進行了廣泛研究，研究重點集中在夾帶起始和夾帶率。Crowley等［4］利用空氣-水對小尺寸破口下的雙端夾帶進行了試驗研究，但試驗段結(jié)構(gòu)與AP1000中ADS-4結(jié)構(gòu)相差較大。在早期的試驗中［5－8］，豎直支管和水平主管管徑比d／D較小，且大部分試驗數(shù)據(jù)都是在單端進氣下得到。文獻［9］以AP600為原型，利用空氣-水對ADS-4夾帶進行了單端進氣試驗研究，然而AP600中的d／D較AP1000的小，研究結(jié)果對AP1000中ADS-4夾帶卸壓的適用性并未得到驗證。文獻［10］以AP1000為原型，對ADS-4夾帶進行了單端進氣試驗研究，但其流動發(fā)展長度較大，主要以分層流流動為主，與真實夾帶有區(qū)別。

ADS-4打開后，熱管段的氣流主要由壓力容器和蒸汽發(fā)生器提供，在夾帶后期主要為壓力容器衰變熱產(chǎn)生的蒸汽，單端進氣試驗中忽略蒸汽發(fā)生器的行為，主要研究壓力容器蒸汽夾帶量。在雙端進氣時，則要考慮蒸汽發(fā)生器和壓力容器中的蒸汽夾帶。本文以AP1000 ADS-4結(jié)構(gòu)為原型，以空氣代替蒸汽作為試驗介質(zhì)，對雙端進氣進行試驗研究。

1 模化分析

在特定的幾何結(jié)構(gòu)下，流型是影響夾帶過程的重要因素。ADS-4支管閥門打開后，熱管段內(nèi)的流型可能為分層流、間歇流、環(huán)狀流等多種流型。為此，應(yīng)保證試驗臺架和AP1000中流型及流型轉(zhuǎn)換相似。Taitel等［11］提出水平圓管內(nèi)分層流、間歇流及環(huán)狀流之間的流型轉(zhuǎn)換可通過修正的氣相弗勞德數(shù)和管內(nèi)相對液位表示：

其中：f為某一函數(shù)；HL為熱管段液位；D為熱管段直徑；Frg為修正的氣相弗勞德數(shù)，可表示為：

其中：jg為氣相表觀速度；ρg為氣體密度；Δρ為氣液之間的密度差；g為重力加速度。

當試驗和原型中熱管段內(nèi)相對液位相同時，流型轉(zhuǎn)換準則相似，可表示為試驗和原型的修正的氣相弗勞德數(shù)相等，即：

根據(jù)Hewitt-Roberts流型圖，ADS-4支管閥門開啟后支管內(nèi)的流型由攪混流過渡到環(huán)狀流［12］，并最終穩(wěn)定在環(huán)狀流。為保證試驗和原型中的ADS-4卸壓管線內(nèi)流型及流型轉(zhuǎn)換一致［13］，Mishima等［14］提出豎直圓管內(nèi)的流型轉(zhuǎn)換準則：

其中：α為空泡份額；d為支管直徑。

式（4）可改寫為：

從式（5）可看出，當試驗和原型中空泡份額一致時，豎直管內(nèi)流型轉(zhuǎn)換相似可表示為Frg相等。

此外，還應(yīng)該保證夾帶過程的相似，主要包含夾帶起始和夾帶率過程相似。應(yīng)該保證夾帶起始發(fā)生時水平主管內(nèi)無量綱氣腔高度相似，即：

其中，Hb為對應(yīng)氣相流量下的夾帶起始高度的氣腔高度。

夾帶起始模型采用Smoglie等開發(fā)的模型，該模型被RELAP5程序采用［15］，表示為：

其中：C＝1.67為經(jīng)驗系數(shù)；˙mg為氣相質(zhì)量流量；ρl為水的密度。

將式（6）、（7）合并后可得：

其中，ug為支管速度。

支管夾帶率一般由支管含氣率x表示。本文?；治霾捎肦ELAP5中采用的夾帶率模型，可表示為：

由試驗和原型的夾帶率相似可得：

當試驗和原型中熱管段相對液位相同時，由式（6）、（10）可得夾帶率相似自然成立。

2 試驗

2.1 試驗臺架

根據(jù)上述模化分析，以AP1000為原型對試驗臺架（ADETEL）進行了設(shè)計建造，試驗臺架與原型直徑比為1∶5.6。試驗臺架原理圖如圖1所示。在第1階段的試驗中采用空氣-水作為工質(zhì)。空氣由空氣壓縮機提供，最大流量為0.22 m3／s?？諝鈮嚎s機后接有2.0 m3的儲氣罐、空氣過濾器和干燥機等設(shè)備。進入試驗段的流量可通過調(diào)節(jié)旁通管線上的閥門進行調(diào)節(jié)。設(shè)有兩條空氣流量測量管線，分別用渦街流量計和V錐流量計測量大、小量程空氣流量。進氣口對稱布置在ADS-4支管上、下游位置，試驗中兩進氣口進氣量保持一致。水的最大流量為15 t／h，水流量由質(zhì)量流量計測量。水在進入試驗段之前首先進入壓力容器內(nèi)的多孔板進行流量分配。為實現(xiàn)試驗現(xiàn)象的可視，試驗段采用有機玻璃加工。流經(jīng)ADS-4支管的氣液混合物在稱重水箱內(nèi)進行氣液分離。稱重水箱下均布有4只稱重傳感器對夾帶水質(zhì)量進行測量，空氣則直接接至大氣。

試驗數(shù)據(jù)采用NI采集系統(tǒng)采集。利用Lab VIEW軟件對試驗數(shù)據(jù)進行采集和保存。熱管段中ADS-4支管前、后液位采用差壓變送器測量。利用壓力傳感器對儲氣罐、水箱及ADS-4管線壓力進行測量。水箱內(nèi)的液位通過差壓變送器測量，并標識為DP-1。ADS-4支管上、下游壓差標識為DP-2。水平熱管段和ADS-4支管壓差標識為DP-3。用熱電阻對回路中的4處溫度進行測量。

2.2 試驗操作

圖1 試驗臺架原理圖Fig.1 Schematic of test facility

在氣相流量恒定條件下，緩慢提高熱管段內(nèi)液位，當液位提高到某一臨界值時，細小的液柱開始從氣液界面夾帶起來。被夾帶起的液滴隨即破碎成多個液滴。液滴沿不同軌跡回落至氣液交界面或管壁，只有少許液滴被氣相夾帶至ADS-4支管。由于夾帶量較小，此類夾帶不會引起水平管內(nèi)液位和DP-3信號變化，且夾帶過程具有較強的隨機性，只能用目測的方法判斷夾帶的發(fā)生，因此不能將此類夾帶的發(fā)生作為夾帶起始判斷標準。隨著熱管段內(nèi)液位的繼續(xù)升高，較大液柱開始從氣液界面分離并被夾帶至ADS-4支管，這時DP-3信號會明顯飛升，且熱管段內(nèi)液位會明顯降低。本試驗中，將DP-3信號的飛升作為夾帶起始判斷標準。

在夾帶率試驗中，在某一恒定氣相流量下，向熱管段內(nèi)不斷注水，熱管段內(nèi)液位不斷升高，當液位超過夾帶起始液位后，夾帶開始，最終夾帶量和水流量平衡。繼續(xù)增加水流量，新的穩(wěn)態(tài)夾帶過程在更高的熱管段液位建立起來。

2.3 試驗現(xiàn)象

熱管段內(nèi)流型主要為分層波狀流和間歇流。在穩(wěn)態(tài)夾帶試驗中，夾帶過程呈現(xiàn)出明顯的周期性。每一夾帶周期主要由兩種夾帶過程組成，分別為主夾帶和次夾帶。在次夾帶中，ADS-4支管下氣液界面會呈現(xiàn)出錐形結(jié)構(gòu)，水從錐形波的波峰位置被氣相夾帶出去。次夾帶中夾帶率和DP-3的升幅都較小。次夾帶對熱管段液位影響較小，熱管段內(nèi)液位繼續(xù)升高直至主夾帶發(fā)生。主夾帶發(fā)生時，液彈會首先在熱管段內(nèi)支管的上游或下游形成，并在支管上、下游氣體擠壓作用下快速在支管上、下游間移動，經(jīng)過數(shù)次移動過程后，液彈體積逐漸減小并最終消失。主夾帶的夾帶過程較短，但夾帶過程劇烈，夾帶量大，夾帶過程伴隨著熱管段液位的迅速降低和DP-3信號的大幅升高。在穩(wěn)態(tài)夾帶率試驗中，熱管段內(nèi)液位曲線呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀規(guī)律。

典型的T型管夾帶進程如圖2所示。主夾帶過程結(jié)束后，熱管段內(nèi)液位較低（圖2a），隨著液位的不斷上升，液滴或較小的液柱開始從氣液界面分離，液滴開始從支管夾帶出去（圖2b）。熱管段內(nèi)液位繼續(xù)升高，液柱開始從支管夾帶出去，DP-3信號明顯升高。支管下方錐形波形成，此即次夾帶（圖2c）。這種夾帶過程呈現(xiàn)明顯的間歇性，夾帶率較小，對液位影響較小，因此熱管段內(nèi)液位繼續(xù)升高，直至主夾帶發(fā)生。液彈首先在支管左側(cè)形成（圖2d），隨即傳播到支管右側(cè)（圖2e）。在兩端進口氣相推力的擠壓作用下，液彈在支管上、下游間快速振蕩。在振蕩過程中，液彈每次經(jīng)過支管下方時，大量水會涌入支管并被氣相從支管攜帶出去。主夾帶過程結(jié)束后，熱管段內(nèi)液位顯著降低，夾帶過程最終停止（圖2f），單次夾帶周期結(jié)束。

在一定氣相流量下，主夾帶發(fā)生的頻率隨液體注入流量的增加而增大。DP-3和相應(yīng)的熱管段液位隨時間的變化如圖3所示。圖3中幾處峰值超過1 500 Pa的DP-3壓差尖峰分別對應(yīng)不同的主夾帶過程。從圖3可看出夾帶過程呈現(xiàn)明顯的周期性，夾帶平均周期為32 s。

圖2 T型管夾帶進程Fig.2 Tee branch entrainment process

圖3 壓差和液位隨時間的變化Fig.3 Pressure difference and liquid level vs.time

3 結(jié)果和討論

3.1 夾帶起始

將夾帶起始數(shù)據(jù)、現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型進行對比。不同夾帶起始數(shù)據(jù)的比較如圖4所示。從圖4可看出，熱管段無量綱夾帶起始高度HL／D隨熱管段氣相弗勞德數(shù)FrD（即慣性力與重力之比）的增加而減小，本文試驗數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)有著相同的趨勢。本文試驗數(shù)據(jù)與文獻［10］的結(jié)果相差較大，在相同的無量綱熱管段液位下，文獻［10］中達到夾帶起始時需要的氣相流量更小。這是由以下兩個原因造成：文獻［10］中熱管段末端直接用盲端法蘭封閉，水波撞擊到盲端法蘭后反射，促進了夾帶的發(fā)生；文獻［10］中利用目測液滴產(chǎn)生的方法判斷夾帶起始，因此夾帶起始在更低的液位。文獻［9］中的ATLATS與ADETEL的工況相似，ATLATS中的d／D較小，支管處的伯努利效應(yīng)更加顯著，因此在氣相流量相同的工況下可在更低的熱管段液位下發(fā)生夾帶起始。

將夾帶起始數(shù)據(jù)和相關(guān)模型的計算結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，夾帶起始數(shù)據(jù)和現(xiàn)有模型存在較大差距。Smoglie等［5］與Schrock等［6］的模型相近，在某一氣腔高度下，夾帶起始點對應(yīng)的支管弗勞德數(shù)Frd較低。值得一提的是，Smoglie等開發(fā)的夾帶起始模型被RELAP5／MOD3.2［15］所采用，因此，RELAP5不能準確估算大d／D幾何結(jié)構(gòu)下的雙端進氣夾帶起始工況。Welter等［9］開發(fā)的模型是建立在假設(shè)ADS-4支管上、下游進氣流量相等的條件下，試驗數(shù)據(jù)和模型的差距可能歸因于d／D的不同。

圖4 不同夾帶起始數(shù)據(jù)的比較Fig.4 Comparison of different data for onset of entrainment

圖5 夾帶起始數(shù)據(jù)和相關(guān)模型的比較Fig.5 Comparison of experimental data for onset of entrainment and correlating models

3.2 夾帶率

將夾帶率試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型進行比較。3種不同氣相流量下支管含氣率和無量綱氣腔高度的關(guān)系如圖6所示，其中ADS-4支管含氣率x3表示為：

圖6 不同氣相流量下的含氣率Fig.6 Quality under different gas flow rates

從圖6可看出，在相同的無量綱氣腔高度下，氣相流量對支管含氣率影響很小，支管含氣率隨無量綱氣腔高度的增加而增大。當x3較小時，氣腔高度隨x3的升高而顯著增大，在x3較大時增長趨勢減緩。因此，在熱管段內(nèi)液位較低時，夾帶水量隨液位的降低而迅速減小。

夾帶率試驗數(shù)據(jù)與RELAP5夾帶率模型的比較如圖7所示。夾帶率模型基于雙端進氣的假設(shè)。從圖7可看出，夾帶率模型和Smoglie等［5］、Schrock等［6］的數(shù)據(jù)吻合良好。雖然本試驗和文獻［9］中d／D相差較大，但數(shù)據(jù)和模型吻合較好，模型預測相對誤差在20%以內(nèi)，因此文獻［9］的夾帶率模型能較好地估算AP1000中ADS-4雙端進氣夾帶率工況。

圖7 夾帶率試驗數(shù)據(jù)與夾帶率模型的比較Fig.7 Comparison of experimental data for entrainment rate and correlating models

3.3 夾帶頻率

圖8 夾帶率與夾帶周期的關(guān)系Fig.8 Relationship between entrainment rate and period

夾帶率和夾帶周期的關(guān)系如圖8所示。每一夾帶周期包含主夾帶和次夾帶。從圖8可看出，主夾帶頻率隨夾帶率的增加而增大。在低夾帶率范圍內(nèi)，夾帶周期隨著夾帶率的增加而迅速減小。隨著夾帶率的增加，夾帶周期最終穩(wěn)定在3 s左右。夾帶率和每周期內(nèi)夾帶質(zhì)量的關(guān)系如圖9所示。從圖9可看出，不同夾帶率下每周期夾帶質(zhì)量相互接近。當氣相流量為0.078 m3／s時，平均每周期夾帶質(zhì)量為3.79 kg，相對偏差為15%。

圖9 夾帶率與每周期夾帶質(zhì)量的關(guān)系Fig.9 Relationship between entrainment rate and entrained liquid mass per period

4 結(jié)論

以AP1000為原型，進行了雙端進氣工況下ADS-4夾帶起始和夾帶率可視化試驗，觀測到了大d／D幾何下雙端進氣夾帶特有的試驗現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)夾帶過程呈現(xiàn)明顯的周期性。夾帶率試驗中觀測到了主夾帶和次夾帶兩種類型的夾帶，次夾帶中支管下方會有錐形的氣液界面形成，液體從錐形波頂部被氣流夾帶至支管。主夾帶中液彈會在支管上游或下游形成并在支管上下游之間震蕩，液彈隨夾帶過程逐漸減小并最終消失。

將試驗數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)和模型進行了比較。由于氣相進口工況及d／D等因素的區(qū)別，試驗數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)和模型存在較大差距，RELAP5不能準確估算雙端進氣下大d／D結(jié)構(gòu)下的夾帶起始工況，氣相流量對支管夾帶率影響較小。當熱管段內(nèi)液位較低時，夾帶水量會隨著液位的降低而顯著減小。文獻［9］夾帶率模型能較好地估算AP1000結(jié)構(gòu)下的ADS-4雙端進氣夾帶率。在低夾帶率范圍內(nèi)，夾帶周期隨夾帶率的增加而迅速減小，隨著夾帶率的增大，減小速率逐漸降低并最終穩(wěn)定在約3 s。不同夾帶率下，每周期的夾帶質(zhì)量接近。

［1］ WANG W W，SU G H，QIU S Z.Thermal hydraulic phenomena related to small break LOCAs in AP1000［J］.Progress in Nuclear Energy，2011，53：407-419.

［2］ 林誠格.非能動安全先進壓水堆核電技術(shù)［M］.北京：原子能出版社，2008.

［3］ ZUBER N.Problems in modeling of small break LOCA，NUREG-0724［R］.US：Nuclear Regulatory Commission，1980.

［4］ CROWLEY C J，ROTHE P H.Flow visualization and break mass flow measurements in small break separate effects experiments［C］∥ANS Specialist Meeting on Small Break Loss of Coolant Accident Analysis.California：［s.n.］，1981.

［5］ SMOGLIE C，REIMANN J，MULLER U.Two-phase flow through small breaks in a horizontal pipe with stratified flow［J］.Nucl Eng Des，1987，99：117-130.

［6］ SCHROCK V E，REVANKAR S T，MANNHEIMER R，et al.Small break critical discharge：The roles of vapor and liquid entrainment in a stratified two-phase region upstream of the break，NUREG／CR-4761，LBL-2204［R］.US：Nuclear Regulatory Commission，1986.

［7］ MACIASZEK T，MICAELLI J C.CATHARE phase separation modeling for small breaks in horizontal pipes with stratified flow［J］.Nucl Eng Des，1990，124：247-256.

［8］ YONOMOTO T，TASAKA K.Liquid and gas entrainment to a small break hole from a stratified two-phase region［J］.Int J Multiphase Flow，1991，17：745-765.

［9］ WELTER K B.Liquid entrainment at an upward oriented vertical branch line from a horizontal pipe［D］.US：Oregon State University，2003.

［10］孟兆明，劉麗芳，王來順.T型管夾帶起始實驗研究［C］∥第13屆反應(yīng)堆熱工流體學術(shù)年會.上海：［出版者不詳］，2013.

［11］TAITEL Y，DUKLER A E.A model for predicting flow regime transition in horizontal and near horizontal gas-liquid flow［J］.AlChE J，1976，22：47-55.

［12］徐濟鋆.沸騰傳熱與氣液兩相流［M］.北京：原子能出版社，2001.

［13］YANG J，WANG W W，QIU S Z.Simulation and analysis on 10-in.cold leg small break LOCA for AP1000［J］.Ann Nucl Energy，2012，46：81-89.

［14］MISHIMA K，ISHII M.Flow regime transition criteria for upward two-phase flow in vertical tubes［J］.Int J Heat Mass Transf，1984，27：723-737.

［15］The RELAP5 Code Development Team.RELAP5／MOD3 code manual［R］.US：Nuclear Regulatory Commission，1995.

Experimental Investigation of Tee Branch Entrainment with Double Gas Inlets

XIANG Yan1，SUN Du-cheng1，ZHANG Jing1，LIU Jian-chang1，
WU Ying-wei1，ZHANG Peng2，QIU Sui-zheng1
（1.School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；
2.Beijing R＆D Center of State Nuclear Power Technology Corporation，Beijing 100190，China）

The ADS-4 depressurization and entrainment test loop（ADETEL）scaled after AP1000 was constructed to investigate the tee branch entrainment process.The experiment which consists of the onset of entrainment and entrainment rate was accomplished under the double gas inlets conditions.The entrainment process was recorded by a high speed camera and analyzed in detail.The experimental data were obtained and compared with existing data and correlations.The results show that relatively large discrepancies exist in the comparison due to the differences of test section geometric configuration and test condition.The entrainment frequency was investigated in the experiment.It indicates that the entrainment period declines dramatically with the increase of entrainment rate at the low entrainment rate.At the high entrainment rate，the entrainment period gradually stabilizes.

double gas inlets；onset of entrainment；entrainment rate；visualization

TL333

：A

：1000-6931（2015）09-1586-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1586

2014-04-30；

2015-04-15

大型先進壓水堆核電站重大專項資助項目（2011ZX06004-007）

向 延（1991—），男，湖北武漢人，碩士研究生，核科學與核技術(shù)專業(yè)