蒸汽射流压力振荡主频研究

武心壮，邱健，郭丹丹，邱斌斌，严俊杰

（1国家核电技术公司，上海核工程研究设计院，上海 200233；2西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）

蒸汽射流压力振荡主频研究

武心壮1，邱健1，郭丹丹1，邱斌斌2，严俊杰2

（1国家核电技术公司，上海核工程研究设计院，上海 200233；2西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）

在稳定射流区，对饱和蒸汽在过冷水中浸没射流凝结引起的压力振荡特性进行了研究，测量得到了不同汽水参数下的压力振荡特性。通过FFT方法得到了压力振荡的主频，并分析了蒸汽质量流率和水温对压力振荡主频的影响规律，蒸汽射流凝结换热特性决定了压力振荡主频随着蒸汽质量流率和水温的增大而降低。同时，利用先前学者提出的公式并引入量纲为1的蒸汽质量流率和凝结势给出了计算主频的实验关联式，结果表明在本实验参数范围内计算值与实验值具有相同的变化趋势，且吻合的较好，误差在±8%以内。

蒸汽射流；凝结；压力振荡；主频

蒸汽在过冷水中浸没射流凝结现象在很多工业场合中扮演着十分重要的角色，由于其具有高效的混合和换热能力，以及自身的非能动特性，在先进轻水堆中也有广泛的应用前景。非能动压水堆AP1000的卸压系统中利用了蒸汽射流凝结的机理，通过将稳压器中的蒸汽排入安全壳内换料水箱，达到快速卸压的目的；此外，在AP1000的非能动安注系统中，当堆芯补水箱在蒸汽替代模式下运行时，蒸汽通过压力平衡管线进入堆芯补水箱，此时也出现蒸汽射流凝结换热过程[1]。

目前国内外学者以蒸汽浸没射流凝结在核反应堆中的应用为背景，开展了相关的理论和实验研究工作。核反应堆中关注的不仅仅是蒸汽浸没射流的高效混合和换热能力，更关注蒸汽射流凝结带来的负面影响，比如由蒸汽凝结引起的压力振荡，这是设备设计中必须关注的内容。由于蒸汽射流凝结现象的复杂性，目前对蒸汽射流凝结压力振荡特性的研究以实验为主。美国学者Simpson等[2]对亚音速蒸汽射流凝结压力振荡特性进行了研究，并观察到了周期性的界面变化过程。韩国学者Youn等[3]对低蒸汽质量流率下、间歇流区域的压力振荡特性进行了实验研究，得到了蒸汽质量流率和水温对压力振荡频率的影响规律。韩国学者Cho等[4]对多孔蒸汽射流压力振荡特性进行了实验研究，从汽泡动力学特性分析了压力振荡频率随着蒸汽质量流率和过冷度的变化规律。Fukuda[5]在对蒸汽凝结引起的压力振荡的频率研究中，得到压力振荡主频正比于冷水过冷度，反比于喷嘴尺寸，并提出了计算压力振荡主频的简单关系式。本文作者采用Fukuda提出的公式对低蒸汽质量流率下凝结振荡区的压力振荡主频进行了计算，得到了较好的结果[6]。

鉴于蒸汽射流凝结压力振荡的重要性，同时国内外对于蒸汽浸没射流引起的压力振荡特性研究仍然比较匮乏，本工作旨在通过对蒸汽射流凝结稳定射流区的压力振荡特性进行实验研究，得到不同蒸汽质量流率和水温对压力振荡主频的影响规律，并给出计算压力振荡主频的实验关联式，为相关工业应用场合提供实验和理论支持。

1 实验系统与方法

针对饱和蒸汽通过6mm的喷嘴在过冷水中产生的凝结压力振荡特性开展研究，实验系统示意图如图1所示。饱和蒸汽由蒸汽发生器产生，经稳压罐、调节阀和喷嘴进入过冷水中。为了保证射流凝结的稳定性，同时避免射流对液面造成剧烈的波动，水箱的尺寸设计为3.0m（长）×1.0m（宽）×1.2m（高），喷嘴的浸没深度为0.5m，同时在高1.0m处设有溢流口，保证喷嘴的浸没深度不变。三维支架上装有高频动态压力传感器，响应频率为40kHz，量程为-100～100kPa，满量程精度为0.25%，为了避免射流的直接冲击和压力波衰减太严重，测点位于喷嘴出口正下方90mm处；水箱壁面附近装有热电偶，精度为1℃。详细的测点位置和汽水参数见表1。实验中调节蒸汽参数到设定值，通过NI采集系统获得汽水参数，采样频率为5000Hz。

图1 蒸汽射流凝结引起的压力振荡实验系统

表1 实验条件

2 实验结果与分析

2.1 压力振荡特性

图2所示为不同蒸汽质量流率和水温下，在时间0.02s内，蒸汽射流凝结引起的压力振荡特性。从图中可以明显看出，当水温相同时，压力振荡幅值和频率随着蒸汽质量流率的增大而减小，同时当蒸汽质量流率相同时，压力振荡幅值和频率随着水温度的增大而减小。这是由蒸汽凝结特性所决定的，当蒸汽质量流率和水温较小时，过冷水的冷凝作用强，蒸汽迅速被凝结，汽液界面小且稳定，产生尺寸较小的汽泡，汽泡破裂产生的振荡幅值小，而频率大；随着蒸汽质量流率和水温的升高，过冷水的冷凝作用减弱，汽液界面大且不稳定，产生尺寸较大的汽泡，汽泡破裂产生的振荡幅值大，而频率小。

2.2 主频

图2中描述的是不同汽水条件下的时间域压力信号，压力振荡的频率信号可采用快速傅里叶变换（FFT）方法分析对时间域信号进行处理后得到。图3所示为蒸汽质量流率为370kg/(m2·s)，水温为60℃时压力振荡的频域特性，从频率特性中可以得到压力振荡的主频为435Hz。通过对实验数据进行FFT分析，得到了不同蒸汽质量流率和水温下的主频，如图4所示。在本实验条件范围内，主频约在320～720Hz，且主频随着蒸汽质量流率和水温的增大而减小。这是由蒸汽射流凝结换热特性决定的，正如2.1节所述，蒸汽质量流率和水温增大，相对削弱了过冷水的冷凝作用，延长了蒸汽凝结的时间，从而增大了主频。

图2 典型的压力振荡特性

图3 FFT方法分析得到的主频

图4 不同蒸汽质量流率和水温下的压力振荡主频

在先前的研究中，有学者通过假设凝结模型并结合理论分析推导压力振荡主频的计算公式。比如韩国学者Hong等[7]基于汽液之间的动能平衡和紊态射流理论，并认为蒸汽射流由初始区和主流区组成，推导得到了蒸汽射流凝结引起的压力振荡主频的计算公式如式（1）。

式中，n为蒸汽的绝热指数，量纲为1；l为汽羽的穿透长度，m；p∞为环境水压力，Pa；ρl为环境水密度，kg/m3，k为与初始区和主流区几何参数相关的经验值，量纲为1。对于上述公式，汽羽的穿透长度l和经验值k都是与汽水参数相关的量。Hong等通过实验研究得到的k为3.26，汽羽穿透长度l是可以表示成l=L·de，L为量纲为1的穿透长度。先前学者对蒸汽射流的穿透长度（量纲为1）进行了大量的实验和理论研究，但各学者对汽羽穿透长度的处理方法不尽相同，因此也给出了不同的实验关联式[8-12]，见表2。表2中，B为凝结势，B=cp(ts-tw)/hfg，量纲为1。cp为水的比热容，kJ/kg·℃；ts为饱和水温度，℃；hfg为汽化潜热，kJ/kg。Gm为临界蒸汽质量流率，即蒸汽在喷嘴的出口压力恰好等于环境压力时对应的质量流率，沿用先前学者给出的数值取275 kg/m2·s。

表2 量纲为1的穿透长度实验关联式[8-12]

根据表2中穿透长度（量纲为1）的实验关联式，结合式（1）计算得到的压力振荡主频与实验值的比较见图5，计算误差较大，最小的误差约为20%。因此，穿透长度（量纲为1）对压力振荡主频的计算结果影响很大，实际上，汽羽穿透长度的确定跟实验条件、实验设备和处理方法等因素有关，特别是当蒸汽质量流率和水温比较高时，由于汽液界面不稳定、更难分辨。但是各学者一致的观点是量纲为1穿透长度主要由凝结势和蒸汽质量流率（量纲为1）等因素有关，因此在式（1）的基础上，直接引入凝结势和蒸汽质量流率（量纲为1），得到凝结振荡主频的实验关联式，如式（2）。

根据式（2），得到水温20℃和60℃的振荡主频计算值如图6所示，计算值与实验值具有相同的变化趋势，并且吻合的较好。在本工作的实验条件范围内，计算得到的主频与实验值的误差基本在±8%以内，见图7。

3 结 论

图6 压力振荡主频计算值

图7 压力振荡频率计算值和实验值的比较

针对直径为6mm的喷嘴，在蒸汽质量流率370～724 kg/(m2·s)和水温20～60℃条件下，对饱和蒸汽在过冷水中射流凝结引起的压力振荡特性进行了研究，得到了压力振荡的时域特性，并通过FFT方法得到了压力振荡的频域特性。主要结论如下。

（1）主频随着蒸汽质量流率和水温的增大而减小。当蒸汽质量流率和水温较小时，过冷水的冷凝作用强，蒸汽迅速被凝结，汽液界面小且稳定，产生尺寸较小的汽泡，汽泡破裂产生的振荡幅值小，而频率大；随着蒸汽质量流率和水温的升高，过冷水的冷凝作用减弱，汽液界面大且不稳定，产生尺寸较大的汽泡，汽泡破裂产生的振荡幅值大，而频率小。

（2）根据先前学者给出的计算压力振荡主频的公式，以及不同的穿透长度（量纲为1，下同）的实验关联式，主频的计算值误差较大，主要是由于穿透长度引起的。基于穿透长度的影响因素，直接引入凝结势和蒸汽质量流率（量纲为1），得到计算主频的实验关联式，在本实验参数范围内计算值与实验值吻合的较好，误差基本在±8%以内。

[1]林诚格，郁祖盛，欧阳予. 非能动安全先进核电厂AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

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Research on main frequency of pressure oscillation by steam jet in water

WU Xinzhuang1，QIU Jian1，GUO Dandan1，QIU Binbin2，YAN Junjie2
（1Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，State Nuclear Power Technology Corporation，Shanghai 200233，China；2State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

The pressure oscillation characteristics due to steam jet condensation in water were experimentally investigated in stable jet region. The main frequency of pressure oscillation was obtained by the FFT method，and the effects of steam mass flux and water temperature on main frequencies were analyzed. Main frequencies decreased with increasing steam mass flux and water temperature，as the result of steam condensation and heat transfer. Moreover，a previous correlation was used to predict the main frequency by considering the dimensionless steam mass flux and condensation driving potential，and for the present experimental parameters good agreement was obtained between predictions and experiments with discrepancies within ±8%.

steam jet；condensation；pressure oscillation；main frequency

TK 2

A

1000-6613（2014）10-2588-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.012

2014-02-21；修改稿日期：2014-03-04。

国家核电技术公司员工自主创新项目专项基金项目（SNPKJ-CX-2011-0008）。

及联系人：武心壮（1982—），男，博士，高级工程师。主要从事核电厂主系统的设计及热工水力的研究。E-mail wuxinzhuang@ snerdi. com.cn。