开式自然循环系统中间歇喷泉流动的实验研究

侯晓凡, 孙中宁, 孙秋南, 范广铭, 雷文静

(1. 哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001； 2. 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)



开式自然循环系统中间歇喷泉流动的实验研究

侯晓凡1, 孙中宁1, 孙秋南2, 范广铭1, 雷文静1

(1. 哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001； 2. 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：为了研究开式自然循环系统中间歇喷泉流动的形成机理和流动特性，采用实验研究和热平衡分析的方法进行了实验研究。结果表明，产生间歇喷泉的主要原因是加热功率与孕育期内自然循环输热能力不匹配，导致加热段出口处出现热力不平衡的局部过热现象，而过冷沸腾汽泡聚集形成的弹状流又为出口引入较强扰动，导致局部过热区域发生闪蒸，进而诱发间歇喷泉。另外实验结果还显示，功率密度、自然循环流速和出口阻力等因素均对间歇喷泉的发生区域具有重要影响。根据间歇喷泉的物理过程，提出新的沸腾延迟时间计算方法来对其振荡周期进行预测，预测效果较好。

关键词：开式自然循环；间歇喷泉；实验研究；流型转变；喷泉区域；热平衡分析；沸腾延迟时间

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160304.0824.002.html

近年来，自然循环在能源、化工及核动力等领域得到广泛应用，特别是开式自然循环系统，由于其具有结构回路简化等特点，被应用于一些反应堆非能动安全系统的设计中[1]。而流动不稳定是影响自然循环系统设计与安全运行的重要因素[2-3]。研究表明，开式自然循环系统启动过程会经历多种流动不稳定，间歇喷泉流动是其中重要的不稳定类型之一[4]。间歇喷泉发生时，汽弹从加热段出口周期性地涌出，随即在非加热通道内被冷凝，从而诱发间歇性流量振荡[5]。冷凝过程导致局部负压，引发系统流体的快速回流而发生水锤冲击，水锤可能导致管路系统结构的损坏[5]，因此有必要对间歇喷泉进行深入的研究。目前针对间歇喷泉的研究较少，且多集中于强迫循环或加热段下端封闭的管路系统[6-9]，而对于自然循环系统的研究并不充分。本文则针对开式自然循环系统中的间歇喷泉流动进行了实验研究。

1实验装置

实验装置如图1所示，由加热段、自然循环回路和数据采集系统等部分组成。加热段为Φ38 mm的不锈钢管段，有效换热长度为2 m；对于自然循环回路， 冷却水从高位水箱流出后，在加热管内被锅炉产生的饱和蒸汽加热，然后在冷热段密度差作用下，流经可视化的水平段和上升段后，最终流回高位水箱。回到水箱的流体经过汽水分离后，气相直接排放至大气，液相继续参与自然循环。水箱内装有盘管冷却装置，用于维持和调节传热段的入口水温。

为了观测间歇喷泉时系统的热工水力特性，实验装置在加热段出入口和上升段等位置多处布置温度、压力测点，其中冷却水温度由1级的铠装镍铬-镍硅热电偶进行测量，冷却水压力由0.1级的压力传感器测量，饱和蒸汽流量和自然循环流量分别由0.5级的涡街流量计和0.2级的电磁流量计测量。各测量仪表的准确性均经过专门的标定。同时，在水平可视化段处采用高速摄影装置对间歇喷泉时水平段内的流动过程进行记录。

实验时，观察不同加热功率和加热段入口温度等参数下的间歇喷泉现象，并采集该过程系统各测点的温度和压力变化。系统的加热功率通过控制管外的饱和蒸汽压力进行调节，热负荷通过蒸汽冷凝的换热量进行计算；冷却水入口温度通过调节盘管冷却装置的流量进行调节。

图1　实验回路示意图Fig.1　Sketch of experimental loop

2实验现象及讨论

2.1加热段出口空泡份额的计算方法

研究表明[3]，循环系统中的间歇喷泉流动由过冷沸腾所引发，因此采用Saha&Zuber推荐的轻度过冷沸腾区域空泡份额计算方法[10]对加热段出口的空泡份额进行计算。首先利用Saha&Zuber模型迭代计算，得到加热段内过冷沸腾汽泡脱离壁面点的热平衡含气率xB，即

(1)

(2)

式中:CP为当地定压比热,q″为加热段热流密度,De为当量直径,kf为当地导热系数,G为质量流速,ifg为气化潜热。

(3)

计算加热段出口处的真实含气率xT：

(4)

最后，根据漂移流模型计算加热段出口处的截面含气率：

(5)

2.2实验结果及分析

图2给出了典型间歇喷泉工况下，加热段出口温度、压力、空泡份额和自然循环流量的时序变化曲线。根据图中参数变化规律及可视化的实验现象，将间歇喷泉流动过程分为孕育期(a)、喷发期(b)和恢复期(c)3个阶段。孕育期内(高入口过冷度工况下为孕育期晚期)，加热段出口已经发生过冷沸腾(由空泡份额大于零以及流量曲线呈现小幅震荡可知)，此时冷却水输热能力与加热功率间存在不匹配，导致出口处温度及空泡份额持续小幅地增加。另外由于过冷沸腾产生的汽泡体积较小，且主流过冷度较高，导致汽泡脱离壁面后被快速冷凝，故而加热段出口压力基本保持稳定，水平可视化段没有观察到汽泡从加热段流出的现象。

空泡份额增加至临界值时(不同工况下的实验结果显示，临界空泡份额在0.22～0.25范围内)，系统将进入喷发期(b)。根据Taitel[11]提出的空泡份额在0.25左右是泡状流向弹状流转变临界，此时管内过冷沸腾产生的汽泡聚合形成与流道尺寸量级相当的汽弹，弹状流会导致加热段进出口压差较为剧烈的振荡(见图3)，特别是汽弹通过加热段出口及90°弯头时，造成流动阻力的增加，导致循环流量的小幅降低和冷却水出口温度的小幅升高(见图2)，从而诱发加热段出口过冷沸腾加剧。汽化率的增加会降低加热段内流体的重位压头，导致当地饱和温度的降低。此时加热段出口流体处于过冷沸腾状态，当地饱和温度的降低会导致近壁面处的流体达到饱和温度而发生快速汽化，即发生局部闪蒸。闪蒸进一步增加了汽化率，快速产生的气体向两端膨胀，一方面阻碍冷却水流入加热段，另一方面快速涌出加热段出口而形成喷泉。由图2观察到，闪蒸初期的循环流量下降，而出口处流体温度和外壁面温度并没有随之升高，相反小幅地下降，即发生了相变吸热过程，印证了局部闪蒸的猜想。之后，水平可视段内观察到汽弹涌出过程(如图4中(a)～(f)所示)，汽弹通常较长(20～30 cm)，在水平段内流速较缓慢，并随着流动被快速冷凝(2～3 s)。汽弹涌出后，冷却水迅速流入加热段，导致流量快速上升，同时加热段出口温度、空泡份额等热工参数快速下降(见图2)，加热段出口的过冷沸腾停止而变为单相流动。

图2　间歇喷泉工况下加热段出口的热工参数时序图Fig.2　Thermo-hydraulic parameters variation of the fluid at the heating tube outlet on the geysering condition

图3　不同出口流型条件下加热段进出口压差的变化情况Fig.3　Variations of differential pressure of the heating tube on the different outlet flow pattern condition

随后系统进入恢复期 (c)，水平段内汽弹被完全冷凝，同时出现上升段流体的回流现象(如图4中(f)～(h)所示)，从而形成水锤冲击。这一阶段内，流量快速下降，加热段出口温度、空泡份额等快速增加，特别是在低入口过冷度工况的恢复期末期，加热段出口会再次出现过冷沸腾(见图2)。

图5给出了不同热工参数下，间歇喷泉周期内加热段出口的流型变化过程，流型转化边界采用Kaichiro[12]的竖直上升通道的流型过渡准则。结果显示，间歇喷泉周期内，加热段出口流型在泡状流和弹状流之间转变，气相折算速度和液相折算速度之间呈现三角形的变化关系。以功率19 kW，入口温度75℃工况为例，孕育期内，出口流型为泡状流，并随着出口空泡份额增加，气相折算速度由0.01 m/s快速增加至0.2 m/s，并达到泡状流向弹状流的转化边界。弹状流的形成为原本处于局部过热状态的出口流体引入较强烈的扰动，导致发生局部闪蒸，液相折算速度由0.32 m/s降至0.29 m/s，气相折算速度由0.2 m/s升高至0.3 m/s，加热段出口进入弹状流区域。随后汽弹涌出，流量快速上升，液相折算速度由0.29 m/s升至0.45 m/s，沸腾停止，气相折算速度由0.3 m/s降至0.01 m/s，出口流型快速转化为单相流动。随后系统进入恢复期，液相速度快速下降，出口流型恢复为孕育期初始阶段。同时由图5可知，随着加热功率及入口水温增加，自然循环流速增加，同时间歇喷泉孕育期变短，孕育期初始的空泡份额增加，从而导致间歇喷泉过程围成的三角形扁平化，并向上移动。而随着上述变化，间歇喷泉喷发的起始点始终位于泡状流向弹状流转化的边界。

图4　间歇喷泉流动加热段出口的汽泡冷凝和回流现象Fig.4　Bubble condensation and backflow at outlet of heating tube during geysering oscillation

图5　间歇喷泉工况下加热段出口流体的流型变化Fig.5　Flow patterns of the fluid at heating tube outlet on geysering condition

综上所述，开式自然循环间歇喷泉的原因是加热功率与孕育期自然循环输热能力不匹配，导致加热段出口流体产生热力学不平衡的局部过热现象。而过冷沸腾汽泡聚集形成的弹状流为出口压力和流动阻力引入较强的扰动，特别是出口的阻力结构(实验工况下是90°弯头)会对扰动起到放大的作用，从而诱发过热流体汽化，形成局部闪蒸，因此出口流型转变的过程是间歇喷泉的重要诱因，即本实验中加热段出口空泡份额达到0.25可以作为自然循环启动过程中间歇喷泉振荡的初始条件。

3间歇喷泉流动区域及影响因素

3.1加热功率对间歇喷泉区域的影响

图6给出了不同加热功率下间歇喷泉的区域图。间歇喷泉主要发生于中等加热功率、较高过冷度条件下，且间歇喷泉起始点对应的出口过冷度随加热功率增加呈现先快速增加后平缓的规律，而间歇喷泉消失点对应的出口过冷度随加热功率增加呈现出先缓慢增加而后快速增加的变化规律。

图6　间歇喷泉区域Fig.6　Geysering region

由2.2节可知，局部过热和弹状流形成是导致自然循环间歇喷泉发生的重要原因。低功率工况下，自然循环流量很低，对间歇喷泉的蓄热过程影响不大，此时加热功率成为影响加热管出口是否能够出现过热而诱发间歇喷泉的主要因素。随着功率密度的增加，近壁面流体与主流间的传热温差增加，使得相同出口过冷度下近壁面处流体的温度升高，加热段出口更容易发生局部过热和弹状流形成过程，从而导致间歇喷泉的发生。因此低功率下，间歇喷泉起始时的出口过冷度随着加热功率增加而快速增加。

对于高功率工况，随着加热功率的升高，自然循环流量快速上升，加热段输入流体的能量被冷却水快速带走，抑制了间歇喷泉的蓄热过程，同时高流速会抑制弹状流的形成，降低过热区域内的压力扰动，抑制间歇喷泉的发生，因此在高功率区域，间歇喷泉起始对应的出口过冷度并没有随着加热功率增加而快速升高，而是基本维持不变。然后出口过冷度继续降低，空泡份额随之增加，由于自然循环系统在单相-两相过渡区间内，流量变化对于空泡份额的变化十分敏感，导致流量随空泡份额的增加而快速的增加，严重抑制间歇喷泉过程，导致间歇喷泉流动的快速消失，因此在高功率，低出口过冷度条件下不会出现间歇喷泉现象。在高功率工况下，流速是限制间歇喷泉的主要因素，实验结果表明，本实验工况下间歇喷泉流动只存在于流速小于1.0 m/s的工况下。

3.2出口阻力对间歇喷泉区域的影响

另外，加热段出口阻力也会通过影响自然循环流速对间歇喷泉流动范围造成影响，图7展示了不同出口阀门开度下间歇喷泉流动区域的变化情况。结果显示，由于低功率工况下功率密度是制约间歇喷泉的主要因素，且此时自然循环流量很低，改变流量对于加热段出口流动状态效果并不明显，因此出口阻力增加对于低功率下间歇喷泉区域影响不明显；而高功率工况下，流速是制约间歇喷泉流动发生的主要因素，出口阻力增加会导致循环流速的快速下降，加剧了功率与自然循环输热能力间的不匹配关系，另外流速的下降会导致相同空泡份额下弹状流易于形成，两者共同作用导致高功率下，间歇喷泉区域随出口阻力的增加而有较大的增加。

图7　不同出口阀门开度下的间歇喷泉区域Fig.7　Geysering regions under different heating tube outlet valve openings

4间歇喷泉的振荡周期

间歇喷泉流动通常伴随着水锤冲击，而频繁的水锤极易导致管路系统结构的破坏，因此针对间歇喷泉振荡周期的研究具有重要意义。由2.2节可知，间歇喷泉产生的原因是自然循环流量与加热功率存在不匹配，导致加热段出口流体由过冷状态被加热至局部过热状态，即沸腾延迟过程。沸腾延迟过程占据了间歇喷泉的大部分时间(孕育期和喷泉期)，同时相对于沸腾延迟过程，间歇喷泉恢复期在振荡周期中的占比很小(如图2所示)，因此在计算间歇喷泉振荡周期时主要考虑沸腾延迟过程，而忽略恢复期时间的影响。

文献[4,7]均采用沸腾延迟时间τB来描述沸腾延迟过程，其定义式如下：

(6)

式中:ρl为液相密度，is为出口处流体的饱和焓值，ii为入口流体的焓值，q‴为加热管对管内单位体积流体的加热功率。

而本实验的喷泉周期实验值与式(6)计算值之间的偏差较大(见图8)，这是因为式(6)描述的是加热管内静止流体由过冷状态加热至整体沸腾的延迟时间。而对于自然循环间歇喷泉过程，主要沸腾区域仅在加热段出口附近，且由于冷却水循环会部分带走输入加热段内的功率，因此为了较准确地表征自然循环间歇喷泉的沸腾延迟过程，针对加热段出口dl的长度内列出热平衡方程：

(7)

式中:等号左侧为控制体内流体的能量变化，等号右侧分别为加热段输入的能量、冷却水带入和带出的能量。A为加热管内面积，G为自然循环质量流率，iin，iout分别为控制体内冷却水的进出口焓值。

在沸腾延迟时间τB′内对等式两侧进行积分：

(8)

图8　间歇喷泉周期与沸腾延迟时间的对比关系Fig.8　Comparisons of geysering period and boiling delay time

假设沿加热管管长方向冷却水的焓升是均匀的，则控制体内的冷却水焓升可以表示为

(9)

式中：io为出口流体的焓值，l为加热段长度。而沸腾延迟时间τB′内，控制体内流体由初始的过冷状态被加热至饱和状态，即

(10)

式中:io,1为孕育期初始的出口流体的焓值，将式(9)、(10)代入式(8)中，并用各参数的时序平均值来代替瞬态参数，最终整理得到新的沸腾延迟时间τB′表达形式：

(11)

式中下标ave表示孕育期内各参数的时均值。

5结论

1)开式自然循环系统间歇喷泉发生的原因是，加热功率与孕育期自然循环输热能力不匹配，导致加热段出口流体产生热力不平衡的局部过热现象。而过冷沸腾汽泡聚集形成弹状流为加热段出口引入较强的扰动，导致局部过热区域发生闪蒸进而诱发间歇喷泉振荡。即出口泡状流向弹状流转变是间歇喷泉的重要诱因。

2)本实验中，加热段出口空泡份额达到0.25是自然循环启动过程中间歇喷泉振荡起始的条件。

3)间歇喷泉主要发生于中等加热功率、较高过冷度工况，而功率密度和自然循环流速分别是影响低功率和高功率工况下间歇喷泉发生的主要因素。另外实验表明，增加出口阻力可以明显增加高功率工况下间歇喷泉的区域范围，其他系统参数对间歇泉区域的影响需要作进一步研究。

4)根据间歇喷泉的物理过程，提出来新的沸腾延迟时间计算方法来表述间歇喷泉的振荡周期，计算预测与实验值符合良好，相对偏差在±15%之内。

参考文献：

[1]GUO Xueqing, SUN Zhongning, WANG Jianjun, et al. Steady-state performances and scaling analyses for an open flashing-driven natural circulation system[J]. Progress in nuclear energy, 2016, 87: 1-14.

[2]SHI Shanbin, SCHLEGEL P J, BROOKS C S, et al. Experimental investigation of natural circulation instability in a BWR-type small modular reactor[J]. Progress in nuclear energy, 2015, 85: 96-107.

[3]YANG S K. Stability of flashing-driven natural circulation in a passive moderator cooling system for Canadian SCWR[J]. Nuclear engineering and design, 2014, 276: 259-276.

[4]KURAN S, XU Y, SUN X, et al. Startup transient simulation for natural circulation boiling water reactors in PUMA facility[J]. Nuclear engineering and design, 2006, 236(22): 2365-2375.

[5]ARITOMI M, CHIANG J H, MORI M. Geysering in parallel boiling channels[J]. Nuclear engineering and design, 1993, 141(1/2): 111-121.

[6]戚展飞, 佟立丽, 曹学武. 加热系统间歇泉流动现象初步实验研究[J]. 核动力工程, 2012, 33(S1): 64-68.

QI Zhanfei, TONG Lili, CAO Xuewu. Preliminary experimental study on geysering phenomena in heating system[J]. Nuclear power engineering, 2012, 33(S1): 64-68.

[7]张亮, 林文胜, 鲁雪生, 等. 低温输送系统间歇泉现象实验研究[J]. 上海交通大学学报, 2005, 39(2): 238-241.

ZHANG Liang, LIN Wensheng, LU Xuesheng, et al. Geysering research in cryogenic transfer system[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2005, 39(2): 238-241.

[8]KUNCORO H, RAO Y F, FUKUDA K. An experimental study on the mechanism of geysering in a closed two-phase thermosyphon[J]. International journal of multiphase flow, 1995, 21(6): 1243-1252.

[9]戚展飞, 陈金波, 佟立丽, 等. 加热系统间歇泉流动机理与模型研究[J]. 原子能科学技术, 2013, 47(4): 546-551.

QI Zhanfei, CHEN Jinbo, TONG Lili, et al. Geysering mechanism and model study for heating system[J]. Atomic energy science and technology, 2013, 47(4): 546-551.

[10]阎昌琪. 气液两相流[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2007: 50-61.

[11]TAITEL Y, BORNEA D, DUKLER A E. Modelling flow pattern transitions for steady upward gas-liquid flow in vertical tubes[J]. AIChE journal, 1980, 26(3): 345-354.

[12]KAICHIRO M, ISHII M. Flow regime transition criteria for upward two-phase flow in vertical tubes[J]. International journal of heat and mass transfer, 1984, 27(5): 723-737.

收稿日期：2015-04-08.

基金项目：国家高技术研究发展计划(2012AA050906).

作者简介：侯晓凡(1988-), 男, 博士研究生； 通信作者：孙中宁, E-mail: sunzhongning@hrbeu.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201503069

中图分类号：TL334

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)04-0556-06

Experimental study on geysering in an open natural circulation system

HOU Xiaofan1，SUN Zhongning1，SUN Qiunan2，FAN Guangming1，LEI Wenjing1

(1.Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Energy and Power Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：To determine the mechanism and characteristics of the geysering phenomenon in an open natural circulation system, we performed experimental and thermal equilibrium analyses. Results show that the primary reason for geysering is a thermal non-equilibrium relation between the heating power and natural circulation heat transfer ability in an incubation period, which can lead to localized overheating at the heating tube outlet. Meanwhile, the basis of the slug flow is the polymerization of subcooled boiling bubbles, which introduces a disturbance, thus causing localized flashes of overheated fluid that result in the geysering phenomenon. Experimental results show that the heating power, circulation velocity, and outlet resistance are critical in a geysering region. Moreover, we develop a new method for determining the boiling delay time by calculating the geysering oscillation period with respect to the physical geysering process; we found that the predictive effect is good.

Keywords：open natural circulation; geysering; experimental investigation; flow pattern transformation; geysering region; thermal equilibrium analysis; boiling delay time

网络出版日期：2016-03-04.

孙中宁(1963-), 男, 教授, 博士生导师.