圆管通道底部再淹没过程实验研究

李 莹，王金宇，陈 鑫，黄彦平，袁德文，毕景良，徐建军

(中国核动力研究设计院 中核核反应堆热工水力技术重点实验室，四川 成都 610213)

失水事故是反应堆的设计基准事故之一。其中，再淹没阶段是导出堆芯余热、保证堆芯安全的重要阶段。由于再淹没阶段冷却剂换热模式多变、传热现象极其复杂，因此，从20世纪60年代至今，国内外关于再淹没过程的实验和模型研究一直在不断探索、发展和完善，研究对象包括圆管、环管、棒束等通道[1-7]。

再淹没过程中的骤冷温度在一定程度上反映了堆芯冷却效果，是元件设计和堆安全分析的重要参数。国内外学者针对再淹没过程的物理机制开展了大量实验研究。然而，再淹没过程关键参数对骤冷温度的影响规律尚不清楚。如Kim等[8]通过开展圆管通道再淹没实验研究，分析发现骤冷温度与冷却剂温度、壁温、质量流量等参数相关，但加热功率对骤冷温度的影响可忽略。Lee等[6]通过实验研究得出，竖直圆管内底部再淹没过程骤冷温度与制冷剂质量流速无关，但受初始壁温影响。颜迪民等[9]研究发现，圆管再淹没过程中骤冷温度与初始壁温呈线性关系，但不受冷却剂温度、骤冷点位置以及冷却剂流速影响。因此，本文将开展圆管通道内低压(0.2～0.4 MPa)、低流速(3～15 cm/s)工况下的再淹没阶段流动换热特性实验研究，进一步分析初始壁温、入口流速、入口温度、加热功率等关键参数对骤冷温度的影响规律，完善骤冷机理，为验证和优化骤冷模型提供一定数据基础。

1 方法

1.1 圆管再淹没

圆管通道内再淹没阶段流动换热特性实验在中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室的实验装置上完成，实验工质为去离子水，实验装置如图1所示。该装置主要由水箱、主泵、预热器、换热器、蒸汽锅炉、过热器、实验本体、汽水分离器、缓冲器、阀门和测控设备组成。

图1 实验装置示意图

圆管实验本体由加热管、电极和法兰等组成。加热管材料为Inconel 690，水力当量直径为12 mm，加热长度为1 500 mm。实验本体不同高度处布置6个温度测点，用于测量圆管外壁面温度，6个温度测点距离加热段入口轴向高度分别为185、335、485、635、785、935 mm。

圆管通道再淹没实验过程[10]如下：水箱中的去离子水经主泵加压后，通过流量计、预热器进入换热器回到水箱；蒸汽锅炉产生的蒸汽由过热器、文丘里流量计进入试验本体，然后从汽水分离器、缓冲器排出。投入本体电源，当壁温上升至预定值时，关闭蒸汽支路，切换阀门，一定温度和压力的去离子水自下而上垂直进入实验段内的圆管通道，直到加热段被完全淹没。

实验中，本体外壁面温度采用φ0.5 mm的绝缘N型铠装热电偶进行测量，热电偶点焊在圆管实验本体的外表面，测量范围为0～900 ℃，测量精度为Ⅰ级。本体入口流量采用量程为10～100 kg/h、精度为Ⅰ级的质量流量计测量；进出口压力采用0.1级压力变送器测量，量程为0～2 MPa；实验段压降采用0.1级压差变送器测量，量程为0～100 kPa；实验过程中，采用模块化电源对实验本体进行加热。所有测点信号均接入NI采集模块，完成实验数据的采集、存储及显示。

实验参数列于表1，实验过程中加热功率保持恒定。本实验工况参数列于表2。

表1 实验参数

表2 工况参数

1.2 起止时刻及过渡沸腾判定

1)再淹没过程起止时刻判定

典型工况1对应的再淹没过程流体进出口温度以及气液分离器夹带水箱的液位变化如图2所示。根据流体进出口温度以及夹带水箱液位的变化对再淹没过程的开始和结束时刻进行判定。

再淹没实验开始前(t<0 s)，流道内主要为热蒸汽，圆管壁通过热辐射、热传导等过程加热蒸汽，此时流道内蒸汽温度较高。打开试验支路阀门后管内蒸汽向下流动，使得入口温度突升，随着冷却水的流入，入口温度下降至65 ℃左右，如图2a所示。同时，液位到达加热段底部，冷却水在热壁表面发生强烈汽化，在高速蒸汽的推动下，管道内高温气体快速向上流动，很快排出试验段，所以图2b中出口处蒸汽温度出现突升突降的现象。再淹没过程中，夹带液滴的蒸汽在试验段出口的汽液分离器中进行气液分离，蒸汽通过文丘里流量计和缓冲器后排出，用于收集夹带水的夹带水箱液位则呈线性上升。在约500 s时，此工况下的再淹没过程结束，骤冷前沿达到试验段顶部，所有蒸汽被排出，管壁温度均被冷却到低于饱和温度，流道内变为单相水对流换热，试验段出口温度下降。此时，进入气液分离器的流体从蒸汽变为单相水，夹带水箱液位的上升斜率明显增大，如图2c所示。

图2 典型工况1下冷却剂入口温度、出口温度及夹带水箱液位的变化

2)过渡沸腾判定

本研究采用双切线法定义骤冷温度和骤冷时刻[11-13]，取壁温-时间曲线斜率绝对值最大处切线与陡降前特征冷却曲线切线的交点对应壁温为骤冷温度Tq，交点对应的时刻为骤冷时刻tq，工况1对应再淹没过程中壁面z=635 mm处温度随时间的变化如图3所示。从图3可看出，在再淹没开始阶段，由于传热能力较弱，壁面温度下降较慢；当壁面温度下降到骤冷温度时，壁面发生骤冷，温度迅速下降；最后壁温趋于饱和温度，进入长期冷却阶段。

图3 骤冷前沿判定方法示意图

1.3 温度场计算

再淹没过程中，圆管管壁温度场计算可作为一个含内热源的非稳态导热问题。本文进行以下假设：1)忽略壁面轴向导热；2)外壁面绝热；3)物性参数随局部温度变化作实时响应处理。初始时刻，各节点温度分布由测量的外壁温及稳态导热方法确定。采用一维非稳态导热隐式格式数值化方法离散分析区域，得到离散方程，并采用交叉隐式迭代法求解方程组[14-16]。

2 结果与分析

不同工况下再淹没过程中不同轴向高度处壁温的变化示于图4。从图4可看出，再淹没开始后，骤冷前沿由下向上推进，不同轴向高度的壁温依次发生骤冷。在特定高度上，当壁温下降至骤冷温度时，开始迅速下降，直至与流体温度相同。受端部轴向导热的影响，圆管初始壁温分布略有差异[17]。

图4 不同典型工况下再淹没过程圆管通道不同轴向高度处壁温变化曲线

本文基于z=635 mm处圆管通道再淹没过程壁温的变化规律，分别分析初始壁温、流体入口温度、流体入口流速以及加热功率对骤冷时刻和骤冷温度的影响。

2.1 初始壁温对骤冷时刻和骤冷温度的影响

在入口压力0.4 MPa、加热功率2.3 kW/m条件下，分别比较工况12与13、工况14与15以及工况1与11中初始壁温对骤冷时刻和骤冷温度的影响，结果示于图5。由图5可看出，入口温度、入口流速及加热功率相同工况下，骤冷时刻与骤冷温度均随初始壁温的增加而增加。这是由于初始壁温越高，圆管管壁内热量越多，再淹没过程中需要的先驱冷却时间越长。此外，对比工况11与15的骤冷时刻和骤冷温度可看出，在入口流速为15 cm/s、初始壁温(Tw,ini=340 ℃)较低的工况下，流体入口温度对骤冷时刻和骤冷温度的影响不明显。

图5 初始壁温对骤冷时刻和骤冷温度的影响

2.2 入口温度对骤冷时刻和骤冷温度的影响

在入口流速15 cm/s、入口压力0.2 MPa、初始壁面峰值温度600 ℃、加热功率2.3 kW/m条件下，比较工况8、9、10中流体入口温度对骤冷时刻和骤冷温度的影响，如图6所示。由图6可知，初始壁温、入口流速及加热功率相同的工况下，骤冷时刻与骤冷温度均随入口温度的增加而增加。较大的入口温度对应的骤冷前沿附近的局部过冷度较小，气膜不易破碎而发生骤冷，所以越高的入口温度工况对应的骤冷时刻越长。在入口流速15 cm/s、入口压力0.2 MPa、初始壁面峰值温度600 ℃、加热功率2.3 kW/m条件下，不同入口温度下z=635 mm处壁温的变化示于图7。由图7可见，高入口温度工况(工况10，Tin=100 ℃)对应的骤冷时刻更长，发生骤冷前，壁面在持续稳定功率加热下，温度持续上升，因此，高入口温度工况对应的骤冷温度较高。

图6 入口温度对骤冷时刻和骤冷温度的影响

图7 不同入口温度下再淹没过程中z=635 mm处壁温的变化

2.3 入口流速对骤冷时刻和骤冷温度的影响

在入口温度45 ℃、入口压力0.2 MPa、初始壁面峰值温度600 ℃、加热功率1.3 kW/m条件下，比较工况4、5、6中入口流速对骤冷时刻和骤冷温度的影响，结果示于图8，可看出，初始壁温、入口温度及加热功率相同的工况下，骤冷时刻与骤冷温度均随入口流速的增加而减小。入口流速对再淹没过程的影响主要体现在液膜对气膜冲刷力的影响。入口流速越大，骤冷前沿附近的冷却水汽化越剧烈，液膜更容易冲破气膜与管壁表面碰触。

图8 入口流速对骤冷时刻和骤冷温度的影响

2.4 加热功率对骤冷时刻和骤冷温度的影响

在入口流速15 cm/s、初始壁面峰值温度600 ℃条件下，分别比较工况17与14、工况5与8以及工况1与16中加热功率对骤冷时刻和骤冷温度的影响，结果示于图9。可见，初始壁温、入口温度及入口流速相同工况下，骤冷时刻与骤冷温度均随加热功率的增加而增加。相似的冷却条件下，加热功率大的工况，管壁热量越大，壁温下降越缓，先驱冷却时间越长。在持续稳定功率加热的作用下，没有发生骤冷的壁面温度会继续上升，所以高功率对应的骤冷温度也增大。

图9 加热功率对骤冷时刻和骤冷温度的影响

3 结论

本文开展了低压(0.2～0.4 MPa)、低流速(3～15 cm/s)条件下圆管通道底部再淹没流动换热特性实验研究，获得了不同工况下壁面温度的变化规律：再淹没开始后，骤冷前沿试验段由下向上推进，不同轴向高度的壁温依次发生骤冷。在特定高度上，当壁温下降至骤冷温度时，开始迅速下降，直至与流体温度相同。通过分析初始壁温、冷却剂入口温度、入口流速以及加热功率对骤冷时刻与骤冷温度的影响可知，骤冷时刻与骤冷温度均随初始壁温、冷却剂入口温度以及加热功率的增加而增加，随入口冷却剂流速的增加而减小。