竖直向下大、小支管气相夹带起始可视化研究

2020-03-30严睿豪曾春杰辛福涛孟兆明

原子能科学技术 2020年1期

严睿豪，曾春杰，辛福涛，张鑫，孟兆明

(哈尔滨工程大学核科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150001)

在核电站许多系统中，T型管结构被广泛应用，例如AP1000中非能动余热排出系统管道、第4级自动减压系统管道与热管段构成的T型管结构[1-2]，CANDU堆的集管——进料器所形成的T型管[3]以及反应堆失水事故中由于破口产生的T型管结构[4]等。在冷却剂管道发生事故时，如果破口处于主管的液相处，那么破口部位可能发生气相夹带现象，夹带现象也会对其他现象的预测和评估带来影响[5]，因此研究T型管的气相夹带现象具有重要的工程价值。

Smoglie、Reimann等[6-7]研究得到了T型管在小尺寸支管条件下的气相夹带起始的数学模型以及小支管质量含气率的数学模型，并给出了从有漩涡流动向无漩涡流动转变的原因。Bowden和Hassan[8]建立了更完善的小支管气相夹带起始的理论模型，并进行了详细分析。这些模型已被应用到核电站的分析程序中，如RELAP5[9]、CATHARE[10]等。在俄勒冈州立大学APEX实验台架上所进行的超设计基准实验，用RELAP5模型并未成功预测到实验中出现的堆芯裸露现象，原因是RELAP5模型中夹带模型对ADS-4这种大尺寸支管并不适用[10-11]，RELAP5-3D对VVER核电厂小破口失水事故的失败预测也同样证明了程序中采用了不合适的气相夹带模型[12]。对于气相夹带，研究主要针对小支管，并且已建立了较为完善和成熟的预测模型和理论体系[13-14]，但并未对大尺寸支管的气相夹带进行充分的研究。

本文通过竖直向下的大、小支管实验台，对大、小支管的夹带起始点进行可视化研究，旨在对比大、小支管的夹带起始现象的差异，并探究大、小支管夹带起始现象的影响因素和其中的规律。

1 实验

1.1 实验台架

实验台架主管内径为80 mm，大支管内径为50 mm，小支管内径为8 mm，支管长度均为410 mm。实验段长度为2 570 mm，其中上游为1 730 mm，下游为840 mm。文献[15]中实验结果表明，低压下用空气-水模拟实际反应堆中的蒸汽-水，对夹带现象并无影响，且空气-水更易操作，因此本实验采用空气-水为工质。

为方便对实验主管内两种流体的夹带起始现象和流动状态进行观察，实验主管段采用有机玻璃为材料。实验台架示意图如图1所示，T型管上游处有一水平挡板，防止空气和水在进口段互相混合从分层流变为其他流型影响夹带。T型管主管段下游封闭，T型管支管靠近水箱处安装一闸阀，通过调节闸阀开度从而控制主管液位高低。T型管支管尾部少许插入以透明水箱为主体的气水分离腔，气液两相在气水分离腔分离，联通气管、收集装置、透明水箱均有良好的密封性。

图1 实验台架示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental bench

整个实验回路分为水路和气路两部分。由流量范围为0～4 m3/h的离心泵供给水路水源，经过几何尺寸为25 mm的PP-R管(三型聚丙烯管)到达主管道，并在旁通支管后安装涡轮流量计和热电偶测量进入主管水的质量流量和温度。主管道上有一开口，与大气环境相连通，同时有热电偶测量空气温度。当气液两相流经过T型管时，液相会顺着支管流出，当液位较低时，将夹带气体进入气水分离腔。在气水分离腔中存在一挡板，气相会通过另一管道被质量流量计测量然后进入大气，液相会经过一系列管道最后回到水箱，完成1个循环。

表1列出主要测量设备及其参数。测量设备的精确度和准确度对实验数据和结果的准确性影响非常大，因此在选择实验仪器时一定要严谨。本实验经过调研并结合理论数据分析，选出了针对本实验具有最合适量程的仪器，且必须经过标定才能进行实验。

表1 主要测量设备及其参数Table 1 Main measurement equipment and parameter

实验中水的质量流量由涡轮流量计测量；测量温度分布时为了避免影响流场和温度场，决定采用φ1 mm铠装热电偶；采用压力变送器测量T型管实验段压差；由于气相夹带量较少，测量时无法使用常规流量计，因此使用微气体质量流量计。

质量流量计以及涡轮流量计在安装时应注意前后至少5D(D为主管内径)和25D的安装要求，且与传感器相连通的直管段的通径尽可能与传感器一致，在安装传感器时应避开机械振动与强电磁场等。对于体积流量计，需配备温压补偿装置，并且应在传感器下游的3D～5D处设置测压点，在传感器下游的6D～8D设置测温点。对于压差传感器的取压管，应保证在实验前装满水。对于热电偶，必须插入足够的深度。

在可视化实验研究中采用Phantom高速摄像系统以80 帧/s的频率记录夹带起始现象。同时使用NI数据采集系统对液体温度、主管内压差、夹带气体流量进行数据采集，用LabVIEW编程语言编制控制系统，该控制系统可实现满足采集数据、分析数据以及图形现实的要求。

1.2 实验步骤

1) 在开始实验前，首先检查在主管道上的压差传感器，确保取压管内的液位和主管道底端平齐，然后记录初始液位，同时检查各管道阀门是否符合实验要求。

2) 打开离心泵，调节涡轮流量计前的闸阀和旁通支管，使液相流量保持在一稳定值，同时使支管下游阀门开度较小，并保持不变，将主管液位稳定在较高液位。

3) 在这一稳定的液相流量下，再调节支管下游的阀门开度，改变主管液位的高度，使主管液位高度不断下降直到发生夹带起始为止。由于夹带起始是有周期性的，所以每一液位均需一段时间去观察是否有夹带起始现象的发生。

4) 改变液相流量，重复步骤3。

5) 结束实验后排空主管道内的水，观察此时取压管的液位和初始液位是否一致，若误差较大则可能是实验过程中取压管被移动，需重新定位取压管液位再次实验。

1.3 实验参数的定义

本文选取的Fr(弗洛德数)的定义为：

(1)

式中：ρL为液体的密度，kg/m3；ρG为气体的密度，kg/m3；W3L为支管的液相质量流量，kg/s；d为支管直径，m；v3L为支管流速，m/s。

2 实验结果

在小支管实验过程中，由于涡轮流量最小阈值的限制以及支管泄流流量，液相流量仅能在30～95 m3/h范围内调节。在初始情况下，给定较高的初始液相流量，控制支管阀门开度，缓慢降低主管液位，此时观察到液面和水的交界处有漩涡出现，当液位逐渐降低时，从漩涡处延伸出1条弯曲的气道到支管口和主管道的夹角处，气道从漩涡处向支管处越变越窄，并将少量的气体夹带进入支管(图2)。

第1个弯曲气道出现后并不是很稳定，仅维持几s，之后将会消失，再经过一段时间后，才会形成另一个气道，维持几s后又消失，然后每隔一段时间均会产生一段维持几s的弯曲气道，间隔时间大致相等，且每个循环内产生弯曲气道的时间也大致相等，因此气相夹带起始现象是周期性出现的。当调节阀门使主管液位继续降低时，弯曲的气道的直径将会扩大，气道稳定的周期变得越来越短，被气道夹带进支管的气泡也越来越大。空气被夹带进入支管中，形成气泡直接通过支管并在支管中汇集多个周期的气泡进而形成泡状流，图3a、b表示了支管中气泡从无到有的过程。在相同的实验条件下，进行大支管夹带实验，可得大支管的夹带起始的1个周期(图4)，此时可观察到1个大的气室出现，并且在液面和水的交界处有漩涡出现，由图4a～d可看出漩涡的直径和长度会明显变大，最后漩涡底端和气室相连，另外当有气泡进入支管中时并不会直接通过支管而是在气室下方翻腾(图4c、d)。

图2 向下小支管夹带起始发展Fig.2 Development of downward small branch pipe entrainment initiation

图3 夹带气泡变大Fig.3 Expansion of entrainment bubble

大、小T型管夹带，在夹带起始的现象上大致相同，均是从出现漩涡开始形成气道然后发生夹带，且漩涡呈周期性出现。在支管尺寸的影响下，大、小支管的夹带起始现象仍有不同：大支管夹带起始时，支管内会出现气室(图4)。对比本文的小支管实验中，未出现气室现象。通过不断调节液相流量，推断出大支管中出现气室的原因和液相流量有关，当液相流量较小(W3L<1 000 kg/h)时支管中一般不会出现气室；当液相流量较大(W3L>1 000 kg/h)时支管中会出现气室。

图4 大支管的夹带起始的1个周期Fig.4 A period of entrainment initiationof large branch pipe

图5 大支管中漩涡对比Fig.5 Comparison of vortices in large branch pipe

在夹带起始的1个周期内，小支管内的漩涡尺寸并无明显变化，而在大支管内的漩涡尺寸变化较为明显。在夹带起始周期刚开始时，大支管内的漩涡较小(图5a)，而在夹带起始周期的后半段时间内，大支管内的漩涡逐渐变大，且此时由于漩涡变大的影响，气室也会变小(图5b)。大、小支管漩涡在周期内大小的变化主要是受几何尺寸的限制。在小支管实验中，因支管尺寸太小，小支管夹带中能形成的漩涡规模十分有限，因此小支管从初始到后来漩涡尺寸变化不大。而大支管能形成的最大漩涡尺寸较大，因此在夹带过程中具有明显的尺寸变化。除此之外，大支管中的气室也影响漩涡尺寸，由于气室的存在，支管中的流通面积会变小，使液相流速在支管口处突然增大，压强变小，进而由于伯努利原理，产生的漩涡也较大。

小支管中产生的气泡会通过支管直接进入到气水分离腔(图6a)，但大支管中的气泡并不会全部进入气水分离腔，因在大支管中产生的气泡较大，浮力较大，导致部分气泡不会随着液相进入气水分离腔，而是在气室下方不断翻腾(图6b)，小支管中气泡较小，不存在这种现象。

图6 大、小支管夹带起始现象对比Fig.6 Comparison of entrainment initiationphenomena for large and small branch pipes

由液相流量求得液相流速，用Origin画图可得图7，对比大、小支管夹带起始实验数据，当大、小支管的流速相同时，大支管的夹带起始的临界液位明显高于小支管的。Welter等[15]认为在液相夹带实验中夹带起始点主要与主管内液位高度以及支管Fr有关。当支管Fr不变时，即支管液相流量W3L一定时，主管液位越低，越易发生夹带起始。当液位高度不发生变化时，支管Fr越大，即支管液相流量越大，越易发生夹带起始。

图7 夹带起始临界液位与流速关系Fig.7 Relation of entrainment initiation critical liquid level and flow rate

本文求得的支管速度实际上是由W3L求得的，并不是真实的液相流速，而是支管的J3L(支管液相折算速度)。当支管中存在气室时，J3L与真实的支管速度并不相等，由于大支管中有气室，导致支管的流通面积被占据一部分，使支管速度明显大于J3L。相应此时水的惯性力会明显增大，使得发生夹带起始的液位变得更高。因此在相同的J3L下，大支管的夹带起始液位高于小支管的。