开式自然循环系统启动特性实验研究

郭雪晴 孙中宁 王建军

（哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室 哈尔滨 150001）

自然循环系统由于结构简单、固有安全性好等特点在先进核反应堆的主冷却剂系统和一些安全系统设计中得到了应用。自然循环系统根据与环境的开放程度分为开式自然循环系统和闭式自然循环系统[1]。目前关于自然循环系统的研究都针对闭式自然循环系统，而对开式自然循环系统的研究很少。不过由于开式自然循环系统具有回路结构简化、系统压力波动小等特点，已开始应用于一些非能动安全系统的设计[2−3]。但目前对开式自然循环系统的瞬态运行行为，特别是其启动特性认识不足。另外，由于自然循环系统的流动特性对其结构形式比较敏感，不能将闭式自然循环系统的研究经验[4−6]直接应用到开式自然循环系统中，因此有必要对开式自然循环系统的瞬态行为特性进行详细的研究。

本文主要对开式自然循环系统的启动特性进行实验研究，分析系统在启动过程中出现的流动现象和发生机理，最后将这些流动不稳定性进行分类，并绘制系统启动过程中流动不稳定边界图。

1 实验回路

开式自然循环系统实验流程如图1所示，P0−P4为压力测点；T1−T6为温度测点；F为流量测点，主要由冷凝罐、循环管路、水箱和测量仪表组成，其中循环管路包括加热段、下降段和上升段，尺寸和布置如表1所示。在上升段中，管段11和12为可视化的有机玻璃管，其他管段均为不锈钢管。有机玻璃管与不锈钢管之间采用快速接头连接，并用耐高温胶进行密封。换热段由三根相同的传热管并列组成，内外径分别为34 mm和38 mm。上升段和下降段中除扩张段16的直径为145 mm外，其余管段直径均为50 mm。水箱气空间与大气环境联通，系统始终处于低压运行状态。自然循环回路内布置有若干个压力和温度测点，用于测量不同位置流体的压力和温度，以监测闪蒸、沸腾等现象的发生。循环流量采用电磁流量计测量，测点位于下降段7上。

实验回路采用纯蒸汽加热，由锅炉提供。冷凝罐内的蒸汽通过在换热段9管外冷凝将热量传递给自然循环系统内部流体，形成密度差，从而驱动系统产生循环流动，将热量导出。由于水箱直接与环境相通，因此当系统产生两相循环流动时，从上升段 16流出的汽水混合物中的蒸汽部分将直接排放到环境中，而液体则依靠重力回落至水箱进行再循环。为了使加热段始终处于蒸汽环境中，需要在冷凝罐底部设置排水阀，适时地排放冷凝罐底部积累的凝结水。

图1 开式自然循环系统实验流程图Fig.1 Experimental loop of the open natural circulation system.

表1 管段尺寸和倾斜角Table 1 Dimensions and inclined angles of the pipes.

2 实验结果与分析

2.1 实验现象

在较低加热功率条件下（冷凝罐蒸汽压力pc为0.2 MPa），开式自然循环系统的启动过程随入口过冷度(Dtsub)的减小会依次经历单相稳定、两相振荡和两相稳定几个不同的流动阶段。其中在两相振荡阶段，不同入口过冷度条件下系统表现出的流动模式也各不相同。

2.1.1 单相稳定流动

在高入口过冷度条件下，自然循环系统始终处于单相流动状态，回路中流体温度的变化对驱动力影响很小，系统质量流量稳定维持在 0.38 kg·s−1，如图2所示，图2中ts_ p1为测点P1处压力p1对应的饱和温度，t1为测点T1测得的流体温度。

图 2 单相流动参数变化(Dtsub=55.1 ºC)Fig.2 Parameter evolutions of the single-phase flow(Dtsub=55.1 ºC).

2.1.2 两相振荡流动

(1) 闪蒸诱发的流量振荡

当加热段入口过冷度Dtsub减小到35.5 ºC时，系统开始产生周期性流量振荡，如图3所示。从图3中可以看出，测点T1、T2、T3处流体温度t1、t2、t3均未达到当地压力下的饱和温度，即加热段和上升段10−14内的流体始终处于单相流动状态。为了确定系统是否发生两相流动，利用测点 P3、T3和 P0处的测量值对上升段 16出口处的质量含气率进行估算(如图3(b))。图3中ts_ p1、ts_ p2和ts_ p3分别为测点 P1、P2和P3处压力p1、p2和 p3对应的饱和温度，t1、t2和t3分别为测点T1、T2和T3测得的流体温度。结果发现该处流体出现周期性的汽化，说明此时流体在上升段间歇地发生了闪蒸现象，并且闪蒸起始点位于测点T3和上升段出口之间的区域。

图 3 闪蒸引发的流量振荡(Dtsub=35.5 ºC)Fig.3 Flashing-induced flow oscillations (Dtsub=35.5 ºC).

在一个振荡周期开始时，系统处于单相流动状态，质量流量较小，传热管出口处流体温度会升高，但仍然低于当地压力下的饱和温度。当这部分热流体进入上升段时，随着当地静压的逐渐降低会诱发闪蒸现象。闪蒸产生的空泡使得上升管和下降管内流体之间的密度差变大，系统驱动力增加，质量流量随之增大。但质量流量的增加会造成自然循环系统带走的热量和传热管外通过凝结换热供给的热量之间的不匹配，反而使得加热段出口处流体温度降低，即使在进入上升段后也无法达到当地压力下的饱和温度，闪蒸现象逐渐消失，又回到单相流动状态。在这个过程中，由于加热段入口过冷度仍相对较大，因此发生闪蒸现象的程度并不剧烈，流量振荡幅度也相对较小。

图4 沸腾和闪蒸共同引发流量振荡(Dtsub=26.1 ºC)Fig.4 Flow oscillations induced by flashing and boiling (Dtsub=26.1 ºC).

(2) 沸腾和闪蒸共同诱发的流量振荡

随着入口过冷度的继续降低，流体在加热段内即可发生沸腾，加热段内产生的汽水混合物在流经上升段的同时能够诱发大规模的闪蒸，流动进入沸腾喷发伴随闪蒸引发周期性流量振荡的模式，如图4所示。

在低压蒸汽加热条件下，过冷度较低的流体进入加热段后几乎不会产生壁面过冷沸腾，而是积累一定过热度后在加热段内突然发生沸腾，迅速产生蒸汽并急剧膨胀。蒸汽受到加热段空间的限制会形成局部高压，将加热段内的流体向两端推挤，使得下降段测得的流量小幅降低甚至出现负值（如图4(a)所示），此时在水平可视化段11内能观察到大气弹流过。从加热段内流出的汽水混合物在经过上升段时由于重位压头的降低会诱发大量的闪蒸，汽水混合物产生的同时也会降低整个系统的压力，从而诱发更大规模的闪蒸现象，系统质量流量快速上升。加热段出口处的流体温度随质量流量的快速增加而急剧下降，沸腾过程结束，加热段和上升段自下而上逐渐被单相液体填充，闪蒸过程也随之减弱最后消失，系统逐渐恢复小流量单相流动状态。在闪蒸逐渐减弱的过程中，上升段内各点的静压均逐渐回升，原本能在较低静压下发生闪蒸的流体此时变为单相状态，温度会相应升高（如t2）。而当这部分流体继续向上流动时，重位压降的减小又使其重新发生程度较弱的闪蒸现象，因此从图 4(a)中可以看到系统在经过短时间的单相流动后流量会出现较小的峰值。

随着入口过冷度的进一步减小，流体更容易在加热段内发生沸腾现象，且程度更加剧烈，沸腾喷发对系统流动的影响程度变大。对比图 4(a)和图 5可知，入口过冷度的减小使振荡周期逐渐变短，一个周期内加热段沸腾所占的时间份额增大，沸腾强度逐渐加强，沸腾喷发引起的下降段逆流流动加剧，图4中出现的闪蒸引起的小幅流量振荡消失。随着加热段入口过冷度的减小，单相孕育时间变短，当入口过冷度为15.9 ºC时，振荡周期内的单相流动过程消失。

图5 较低过冷度时沸腾和闪蒸共同引发的流量振荡Fig.5 Flow oscillations induced by flashing and boiling under lower inlet subcooling conditions.

2.1.3 两相稳定流动

由于开式自然循环系统的启动过程中两相振荡时间较短，水箱横截面积很大，启动过程中水箱内的水位变化可以忽略，因此当水箱温度达到当地大气压下的饱和温度时，流体的入口过冷度几乎保持不变(Dtsub=12.1 ºC)，系统进入两相稳定流动阶段，如图6所示。在两相稳定流动过程中，系统质量流量较大(1.36 kg·s−1)，加热段出口处流体的温度达不到当地压力对应的饱和温度而处于单相状态。从图6中可以看到，上升段中测点T2处的流体也没有达到当地饱和温度，而测点T3处流体温度t3却超过了当地饱和温度，这说明闪蒸起始点位于上升段 15内，并且发生闪蒸现象时流体处于过热状态。

图6 两相稳定流动Fig.6 Stable two-phase flow.

2.2 流动不稳定性分类

开式自然循环系统在启动过程中产生的流量振荡均是由加热段沸腾或上升段闪蒸引起的系统流量、空泡份额和压降之间的多重反馈造成的。在两相自然循环系统中，密度波不稳定性是最常的流动不稳定。密度波的基本特征是流动振荡周期(tfo)是流体流经上升段所需时间(t)的 1.5−2 倍[6−7]，其中t可以通过上升段流道容积与平均体积流量的比获得。图7给出了流量振荡周期tfo与t的关系，从图7中看出，不论是闪蒸引起的流量振荡还是沸腾和闪蒸共同诱发的流量振荡，周期均在流体流过上升段所需时间的1.5−2倍之间，说明这两种不同的振荡模式均属于密度波振荡。

图7 振荡周期与流体流经上升段所需时间的关系Fig.7 Relationship of flow oscillation period and the time required to pass through the chimney.

2.3 流动不稳定边界

图8 为冷凝罐内蒸汽压力不同时所对应的开式自然循环系统的启动过程。当加热蒸汽压力较低时(pc=0.2 MPa、pc=0.3 MPa)，系统的启动过程随入口过冷度的减小会依次经历上述所描述的单相稳定流动、两相振荡和两相稳定流动三个阶段。随加热蒸汽压力增大(pc=0.4 MPa)，加热段内的沸腾喷发作用权重增大，使得系统即使在低入口过冷度条件下也无法形成稳定的两相流动，而系统启动过程中的流动模式只有单相稳定流动和周期性振荡流动两种。

图8 不同蒸汽压力下的启动过程Fig.8 Start-up processes with different steam pressures.

图 9给出了不同热流密度和不同入口过冷数(Nsub=(hf−hin)/hfg×(rf−rg)/rg)时系统的流动不稳定性边界图。从图9中看出，系统的流动不稳定性只发生在一定的入口过冷度和加热功率范围内；随着加热功率的增大，单相稳定流动区域逐渐减小，流动不稳定区域会增大；当热流密度超过120 kW·m−2·K−1时，系统很难再出现稳定的两相流动。在两相振荡区域内，靠近高过冷度分界线的条件更容易使系统产生闪蒸不稳定性，而过冷度较低时的流动振荡则是由沸腾喷发和闪蒸共同引起的，并且沸腾喷发的作用程度随过冷度降低而加剧。

图9 启动过程流动不稳定性边界Fig.9 Flow instability boundary during startup process.

3 结语

本文对开式自然循环系统的启动特性进行了实验研究，并分析了不同加热功率和入口过冷度对系统流动模式和流动特性的影响，最后给出了系统的不稳定流动边界。结论如下：

(1) 开式自然循环系统在低加热功率条件下随入口过冷度的降低会依次出现单相稳定流动、两相振荡和两相稳定流动。在两相振荡流动过程中，高入口过冷度条件会使系统产生闪蒸不稳定性，而较低入口过冷度下的流动振荡则是由加热段沸腾喷发和上升段闪蒸共同引发的，并且随入口过冷度的降低沸腾喷发的作用越强烈。

(2) 在两相振荡流动中，闪蒸诱发的流量振荡以及沸腾喷发和闪蒸共同诱发的流量振荡均属于密度波流动不稳定性。

(3) 系统在启动过程中，两相流动不稳定区域随加热功率的增加会扩大。当加热功率超过一定值时，系统很难再形成稳定的两相流动。

1 姚伟. 沸腾两相自然循环系统稳定性的实验与理论研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2000 YAO Wei. Experimental and theoretical research on the instability mechanism of boiling two-phase natural circulation system[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2000

2 Byun C S, Jerng D W, Todreas N E, et al. Conceptural design and analysis of a semi-passive containment cooling system for a large concrete containment[J]. Nuclear Engineering and Design, 2000, 199: 227−242

3 Ick Soo Kyung, Sang Yong Lee. Periodic flow excursion in an open two-phase natural circulation loop[J]. Nuclear Engineering and Design, 1996, 162: 233−244

4 Aritomi M, Chiang J H, Mori M. Fundamental studies on safety-related thermo-hydraulics of natural circulation boiling parallel channel flow systems under start-up conditions (mechanism of geysering in parallel channels)[J]. Nuclear Safety, 1992, 33(2): 170−182

5 Chiang J H, Aritomi M, Mori M. Fundamental studies on thermo-hydraulics during start-up in natural circulation boiling water reactors (natural circulation oscillation induced by hydrostatic head fluctuation)[J]. Journal of Nuclear Science and Technology, 1993, 30(3): 203−211

6 Furuya M, Inada F, van der Hagen T H J J.Flashing-induced density wave oscillation in a natural circulation BWR-mechanism of instability and stability map[J]. Nuclear Engineering and Design, 2005, 235:1557−1569

7 Boure J A, Bergles J E, Tong L S. Review of two-phase flow instability[J]. Nuclear Engineering and Design, 1973,25: 165−192