AP1000中ADS-4液体夹带实验研究

孟兆明，董 博，丁 雷，傅孝良，田文喜，杨燕华，苏光辉

（1.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；

2.西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安 710049；

3.国家核电技术公司 软件技术中心，北京 102206；4.国家能源核电软件重点实验室，北京 100029）

AP1000中ADS-4液体夹带实验研究

孟兆明1，2，董 博3，4，丁 雷1，2，傅孝良3，4，田文喜1，2，杨燕华3，4，苏光辉1，2

（1.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；

2.西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安 710049；

3.国家核电技术公司 软件技术中心，北京 102206；4.国家能源核电软件重点实验室，北京 100029）

以AP1000核电厂中自动泄压管线（ADS-4）与热管段形成的T型结构为研究对象，开展缩小比例的T型管夹带实验。实验结果表明：大尺寸支管的夹带与小尺寸支管的夹带有明显差别。分层流情况下的夹带研究中发现两种夹带机理；在较低气相Froude数及较低气腔高度时，容易产生间歇流夹带；在较高气相Froude数情况下，往往出现环状流夹带。此外，实验研究发现，大尺寸支管中回流现象显著。支管形状对起始夹带有重要影响，而液体横流似乎并不影响起始夹带。

液体夹带；T型管；ADS-4；可视化

西屋公司设计的AP1000核电厂拥有一系列非能动安全措施［1］，为了支持AP1000的设计开展了一系列的整体效应和分离效应实验［2］。NRC针对AP600和AP1000进行的APEX整体性实验中，使用RELAP5对堆芯裸露情况进行了计算，但计算结果与实验结果出现偏离。究其原因，主要是由于RELAP5使用的液滴夹带模型的不准确与不恰当所引起。因此，在反应堆小破口事故后期自动泄压管线（ADS-4）打开时的液体夹带现象值得关注。

在20世纪80年代，Zuber［3］的研究指出LOCA中可能存在液体夹带现象。随后，基于反应堆一回路LOCA，众多研究者针对水平主管分层流动下的垂直向上支管的液体夹带现象展开了实验研究［4－12］。

现有夹带研究主要是针对小尺寸支管（d／D＜0.2，d为支管直径，D为主管直径）开展的，对大尺寸支管情况下的夹带研究严重不足。为此，本文针对AP1000中可能存在的ADS-4夹带现象进行相关实验研究。

图1 空气-水实验回路示意图Fig.1 Schematic of air-water test loop

1 实验介绍

Schrock等［13］的研究表明，以空气-水或蒸汽-水做为夹带实验工质，对实验影响不大。因此本实验采用较为经济且易实现的空气-水作为实验工质。空气-水实验回路如图1所示。通过模化分析确定实验段及实验参数。

整个实验装置分为水路（实线箭头）和气路（虚线箭头）两部分。当空气-水两相流经T型管处时，空气仅能从支管流出。而一部分水沿主管下游流回水箱，另一部分水则被气流带入支管进入汽水分离器。

1.1 测量仪器

关键仪器及其测量参数列于表1。除自制设备外，所有仪器都经过第三方标定。

表1 仪器及其测量参数Table 1 Instrument and parameters

图2为自制双平行电导探针液位测量系统示意图。探针材料为康铜丝，信号发生器为探针提供正弦信号，后处理电路主要对信号进行滤波、放大等后处理操作，最终实验段内液位信号被采集系统实时采集并显示。考虑到T型管的主管下游液位可最真实地反应T型管处的夹带液位，故探针布置于主管下游。

图2 液位测量系统Fig.2 System of measuring water level

自制双平行电导探针根据液位与水电导率的一一对应关系进行液位测量。然而，随着实验的运行，实验回路水质和水温将发生变化，而这一变化将造成水电导率改变，进而将影响实验最初的液位与电导率的对应关系，最终引起探针测量液位发生偏差。因此，探针在使用之前除需进行标定外，还需添加参考探针来消除水质和水温变化对测量的影响。

探针标定曲线如图3所示。标定结果表明，静态标定（恒定水质水温情况下的标定）与动态标定（变化水质水温情况下的标定）的相对偏差小于3%，且标定曲线的线性度很好（R2＝0.099 9）。因此，可说明自制双平行电导探针液位测量系统具有很高的准确性和很好的稳定性，可用于本实验。

图3 探针标定曲线Fig.3 Calibration curve for probe

1.2 实验段介绍

为满足可视化要求，T型管的主要材料采用透明有机玻璃。T型管支管下游分别接入汽水分离器及180°的弯管。参照AP1000核电厂中热管段与ADS-4的内径，T型管的主管内径D和支管内径d相应地进行1∶9.7的缩比。实验段的其他尺寸列于表2。当T型管内气体流量恒定时，通过调节倒装闸阀控制液位缓慢升高。当第1个液滴进入称重传感器时即定义为夹带起始点。

表2 实验段几何尺寸Table 2 Geometrical dimension of test section

2 实验结果

2.1 流型

T型管夹带实验研究发现，夹带发生时主管内可能存在3种流型，因此定义3种夹带现象：间歇流夹带、分层流夹带和环状流夹带，如图4所示。图4中，h为气腔高度。每种夹带现象的特征如下。

图4 T型管内的流型Fig.4 Flow regime in T-junction

间歇流夹带是在T型主管内为间歇流，一股股液体涌入支管，如图5所示。

图5 主管内的间歇流Fig.5 Intermittent flow in main pipe

分层流夹带发现两种夹带机理：1）支管口附近波动液位引起的夹带，如图6a所示；2）支管附近液位出现台阶状，上游液位较低，下游液位较高，夹带总是在台阶处发生，如图6b所示。

环状流夹带是在主管上游出现环状流，主管下游为分层流，支管内出现环状流，支管口处有明显回流，如图7所示。

图6 分层流夹带Fig.6 Stratified flow entrainment

图7 环状流夹带Fig.7 Annular flow entrainment

根据Mandhane等［14］所建立的水平管流型图可知，弹状流（即间歇流）往往发生于气相表观速度较大时。在本实验中，T型管水平主管内的间歇流总是发生在较小气相Froude数且气腔高度较小的情况下。在较低气相Froude数和较低气腔高度情况下，波动的两相液面更加容易接触到主管上部内壁，进而形成间歇流。当间歇流发生时，实验段内压力发生剧烈波动，如图8所示。

对于本实验中气体无法从主管下游流出的情况，两种夹带现象被发现：波状夹带和台阶状夹带。波状夹带通常在较高支管含气率时发生，随着液位的继续升高波状夹带转向台阶状夹带。台阶状夹带与文献［15-16］的描述类似，且在液位较高时易于发生。

图8 实验段内压力的波动Fig.8 Pressure fluctuation in test section

在本实验中，以主管入口处出现环状流为环状流夹带判定准则。环状流夹带发生时，主管中部为带有液滴的气芯，主管入口液膜受到重力的影响，液膜逐渐下落并在主管底部积累（图7c）。由于主管下游为分层流状态，支管附近处主管内形成明显的阶梯状（图7b）。支管内壁布满液膜为明显环状流（图7a），支管口可见明显的回流（图7b）。

2.2 大尺寸支管

前人主要是针对小尺寸支管展开夹带研究，支管内复杂的流型难以产生和观察。对于大尺寸支管的夹带，支管内可观察到明显的回流，如图9所示。在整个夹带过程中，随着液位的升高，夹带发生并逐渐加强。支管回流则从无到有，并随着液位的升高明显被支管内大量的夹带所覆盖。如果液位进一步升高，最终主管间歇流将可能发生。

图9 支管内回流Fig.9 Reverse flow in branch

2.3 支管形状

ADS-4管线形状复杂，包含许多支管段和各种弯管段。图10示出不同支管形状对起始夹带的影响。由于直管的阻力小于弯管，所以在相同液位情况下直管内的夹带更容易发生。

此外，随着Froude数Fr的降低，起始夹带气腔高度hb随之降低。然而，气腔高度下降速度在低Fr区大于高Fr区（图10中虚线部分）。在起始夹带曲线突变处，往往发生支管间歇性夹带。由于本实验以液滴被夹带出支管作为夹带起始判定准则，考虑到较小的气流（即较小Fr）容易引起液滴一次次的积累与释放，故引起支管间歇夹带的发生。然而在较大气流情况下，液滴则可直接被带出支管。因此，夹带起始现象的转变可能造成夹带起始判定出现偏差。

图10 支管形状对起始夹带的影响Fig.10 Effect of branch shapeon onset entrainment

2.4 液相横流

图11 液相横流的影响Fig.11 Effect of liquid crossflow

3 结论

以AP1000中ADS-4管线与热管段形成的T型管为背景开展支管垂直向上情况下的T型管夹带实验研究。主要结论如下。

根据实验数据绘制T型管的水平主管流型图，结合可视化研究发现3种夹带方式：间歇流夹带、分层流夹带和环状流夹带。在较小Fr和较高液位情况下，间歇流夹带易于发生；波状夹带和台阶状夹带是分层流夹带中的两种夹带机理；当气相流量较大时，环状流夹带易于发生。此外，通过对比Mandhane流型图可知，T型管主管内间歇流发生条件与传统水平主管内间歇流的形成条件有较大差别。

对于大尺寸支管夹带，随着液位的升高，支管内回流从无到有，最终被支管内间歇夹带所淹没。若继续增加液位，主管间歇流将可能发生。

不同支管形状对起始夹带有重要影响。支管是直管情况下与弯管相比，夹带更加易于发生。此外，高液位且低Fr情况下的起始夹带研究表明，支管间歇流的出现可能对起始夹带判定造成影响。

大尺寸支管情况下液相横流对起始夹带影响不大。可见，主管下游动量通量较支管动量通量小1个量级情况下液相横流影响亦可忽略。

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

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

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

［4］ SMOGLIE C，REIMANN J.Two-phase flow through small branches in a horizontal pipe with stratified flow［J］.Int J Multiphase Flow，1986，12：609-625.

［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］ YONOMOTO T，TASAKA K.Liquid and gas entrainment to a small break hole from a stratified 2-phase region［J］.Int J Multiphase Flow，1991，17：745-765.

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［11］MICAELLI J C，MACIASZEK T.Two-phase flow behavior in a tee junction［C］∥The CATHARE Modle：Fourth International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-hydraulics（NURETH-4）.［S.l.］：［s.n.］，1989.

［12］SMOGLIE C.Two phase flow through small branches in a horizontal pipe with stratified flow，KfK3861［R］.Karlsruhe：Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH（KfK），1984.

［13］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［R］.USA：Nuclear Regulatory Commission，1986.

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

Experimental Research of Liquid Entrainment through ADS-4in AP1000

MENG Zhao-ming1，2，DONG Bo3，4，DING Lei1，2，FU Xiao-liang3，4，TIAN Wen-xi1，2，YANG Yan-hua3，4，SU Guang-hui1，2
（1.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an710049，China；2.School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an710049，China；3.State Nuclear Power Software Development Center，Beijing102206，China；4.National Energy Key Laboratory of Nuclear Power Software，Beijing100029，China）

With the T-junction formed by the fourth stage automatic depressurization system（ADS-4）and hot leg in AP1000nuclear power plant as object of study，a smallscale experiment research on entrainment at T-junction was performed.The visualization research indicates that the entrainment phenomena through a large size branch are apparently different from those through a small branch.Two entrainment mechanisms could be found in the stratified flow entrainment area.Intermittent flow entrainment tends to occur at a lower Froude number and a lower gas chamber height.Annular flow entrainment always arises at a higher Froude number.Also，the experimental researchshows that the reverse flow is observable in a large size branch inlet.The geometry of the branch has an important effect on the onset entrainment.In addition，liquid crossflow does not seem to affect the onset entrainment.

liquid entrainment；T-junction；ADS-4；visualization

TL334

：A

：1000-6931（2015）05-0807-06

10.7538／yzk.2015.49.05.0807

2014-01-22；

2014-11-05

大型先进压水堆核电站重大专项资助项目（2011ZX06004-024）

孟兆明（1987—），男，黑龙江明水人，博士研究生，核科学与技术专业