竖直向下浸没式蒸汽直接接触冷凝流型研究

刘海强，郭张鹏,*，邱美铭，王升飞，牛风雷，黄彦平

(1.华北电力大学 非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206；2.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 610041)

核反应堆安全壳抑压系统湿阱中存在浸没式直接接触冷凝现象(DCC)，其直接影响核反应堆安全壳抑压系统的工作特性。流动换热随冷凝流型变化，冷凝流型的识别和分类对于热工水力本构方程的构建至关重要。国内外研究者开展了流型研究，绘制了不同的冷凝流型图[1]。Arinobu[2]基于直径为16.1 mm和27.6 mm的排放管开展了实验研究，总结归纳了6种冷凝流型。Chan等[3]基于直径为51 mm的大管径排放管开展了实验研究，以蒸汽区域相对于管道出口的位置和蒸汽气泡从源分离的位置，将冷凝区域划分为3种流型，即喘振、鼓泡和喷射。Chun等[4]对直径为4.45～10.85 mm的排放管开展了浸没蒸汽直接接触冷凝流型实验研究，获得了蒸汽质量流速为700 kg/(m2·s)的冷凝流型图。Gregu等[5]使用可视化装置和内径为27 mm的透明聚碳酸酯管和不锈钢管进行实验，研究了压力对汽泡冷凝的影响，并根据实验数据绘制了喘振冷凝流型图。Aya等[6-9]测量了蒸汽冷凝引起的排放管的压力和流体振荡，并以排放管内不同的压力振荡划分了冷凝流型图。Cho等[10]通过声学、视觉观察和动态压力行为，绘制了冷凝流型图。都宇等[11]开展了蒸汽直接接触冷凝实验，对各典型的流型特征进行了归纳总结，认为影响流型形成和转变的主要因素是蒸汽质量流速、水过冷度和蒸汽雷诺数。

目前对冷凝流型的研究主要集中在高蒸汽质量流速条件，而对于低蒸汽质量流速条件下的流型鲜有研究。低蒸汽质量流速下的流型研究对于抑压系统长期冷却至关重要，本文拟开展低蒸汽质量流速条件下浸没式蒸汽直接接触冷凝实验，研究流型转变机理并绘制冷凝流型图。由于低蒸汽质量流速下直接接触冷凝会使湿阱内产生热分层，造成湿阱整体冷凝传热恶化，因此本文也对各种流型对湿阱热分层的影响进行分析。

1 实验方法

图1为低蒸汽质量流速条件下浸没式蒸汽直接接触冷凝研究实验回路，主要由锅炉、干阱、抑压水池(湿阱)以及蒸汽管线组成。锅炉产生的蒸汽经稳压阀稳压后，进入干阱；再由排放管注入湿阱，在湿阱内发生浸没式蒸汽直接接触冷凝。在干阱及湿阱顶部布置了压力传感器，实时监测实验系统压力。湿阱内不同高度及径向位置布置多个温度测点，如图2所示，可获得湿阱内不同位置过冷水温度的变化，用于研究湿阱内热分层现象。为开展蒸汽直接接触冷凝可视化研究，湿阱侧面设有观察窗，通过高速摄影仪进行记录。

图1 实验系统设计示意图与实物照片Fig.1 Schematic diagram and picture of experimental system

图2 抑压湿阱内热电偶排布Fig.2 Arrangement of thermocouple in wet well

实验湿阱尺寸500 mm×300 mm×1 000 mm，排放管内径15 mm，浸没深度160 mm，水温28～85 ℃，蒸汽压力121.1～137.1 kPa，各工况条件下蒸汽质量流速均采用仪表测得的时间平均值，为1.31～42.67 kg/(m2·s)。实验时首先利用蒸汽将实验回路内的不凝性气体排出，同时预热回路避免冷凝损耗。当湿阱排放管外表面测量温度稳定后，将蒸汽质量流速调到预设值。蒸汽质量流速稳定后，关闭通向湿阱的阀门，将干阱内冷凝水排出的同时更换湿阱内的过冷水。当湿阱换水完成、液面平缓后，重新打开通向湿阱的阀门，并开始实验数据采集。通过热电偶采集湿阱不同区域过冷水的瞬态响应温度值，湿阱每升高10 ℃，通过高速摄影仪拍摄采集冷凝现象。

2 结果与分析

2.1 不同流型特征

通过高速摄影仪拍摄的蒸汽质量流速为2.57 kg/(m2·s)、过冷度为70 ℃时的喘振流型现象如图3所示。喘振流型发生在蒸汽质量流速较低且湿阱过冷度较高时。由于大部分蒸汽在排放管内被冷凝，所以只在管口处存在少量微小汽泡。管口附近少量的过冷水往复进出管口，导致管口处小气泡随之上下移动。偶尔会伴有少量微小汽泡，管内所有过冷水排出，且管口处出现1～4个管外紧缩的周期，随后大量过冷水再次吸入排放管内。

图3 喘振流型Fig.3 Condensation regime of internal chugging

图4为管外颈缩流型现象，此时蒸汽质量流速为13.35 kg/(m2·s)，过冷度为50 ℃。管外颈缩流型出现在较喘振流型更低的过冷度或更高的蒸汽质量流速条件，是喘振流型的发展。蒸汽从管口喷出后在管口下方形成汽泡，汽泡逐渐变大，随后在汽泡中部区域发生坍缩，出现汽泡颈缩现象。颈缩发生后，汽泡表面粗糙度快速增加，同时颈缩后下部分汽泡脱落，继续向下运动，且短时间内被完全冷凝。

图5为典型的向上球型脱落流型现象，蒸汽质量流速为1.31 kg/(m2·s)，过冷度为40 ℃。向上球型脱落流型发生在低蒸汽质量流速及低过冷度条件下。汽泡没有明显的向下运动过程，在管口处形成且持续扩张。汽泡直径生长到约为排放管外径的2倍后，开始向上移动。汽泡下边缘到达管口处前，体积基本保持不变，之后从管口自下向上脱落，体积快速缩小至消失。

蒸汽质量流速为5.34 kg/(m2·s)、过冷度为30 ℃时的向上T型脱落流型现象如图6所示。在向上球型脱落流型下，过冷度进一步降低且蒸汽质量流速提高，汽泡脱落形状由球型变为T型。管口下方的汽泡先缓慢扩张，其水平直径约为湿阱排放管外管径的3～4倍时，汽泡开始变形。汽泡四周部分开始上升，同时下部继续向下发展，成为“T”字型结构，此时可认为是上下两个汽泡。上汽泡水平直径与变形前汽泡水平直径基本一致，下汽泡水平直径与湿阱排放管外径相当。当上汽泡下部上升到管口位置时，汽泡体积达到最大。随后上汽泡与下汽泡分离，上汽泡快速上升并缩小至消失，下汽泡水平直径基本不变，竖直长度减小到初始长度。

虽然每种流型现象都是瞬态过程，但流型现象的变化具有一定的周期性。如喘振流型时管口处过冷水的吸入和排出，管外颈缩流型时汽泡的扩张、颈缩和冷凝，向上脱落(向上球型脱落及向上T型脱落)流型的汽泡扩张、向上脱落。这些现象周期性的变化定义为该流型汽泡的一个周期。

图4 管外颈缩流型Fig.4 Condensation regime of external necking

图5 向上球型脱落流型Fig.5 Condensation regime of spheroidal upward bubble

图6 向上T型脱落流型Fig.6 Condensation regime of T-shaped upward bubble

2.2 流型划分及转变机理

直接接触冷凝流型的区分主要是依靠汽-液界面的位置、形状和变化情况，蒸汽质量流速和湿阱水温是流型形成与转变的关键因素。图7为基于实验数据整理获得的冷凝流型图，喘振是由于蒸汽质量流速低，在未到达管口时即被低温过冷水冷凝；随着蒸汽质量流速的增大或水温的升高，蒸汽得以喷出管外，管口出现汽泡。由于水温继续升高，导致过冷水冷凝能力下降，同时汽泡受到浮升力作用，导致汽泡改变运动方向前都未完成冷凝，此时汽泡就会向上脱落。

图7 冷凝流型图Fig.7 Condensation regime map

2.3 流型转换分析及对热分层的影响

不同蒸汽质量流速工况下，湿阱内过冷水在较低温度时都表现为充分热混合，湿阱内水温度分布均匀，如图8所示。随着水温的升高，各工况过冷水在垂直方向上都出现温度梯度，发生热分层现象。本实验以湿阱内各测点间开始出现明显温度梯度作为热分层起始点。

不同流型对湿阱内水流的影响如图9所示。由图9a可见，喘振和管外颈缩流型使得湿阱过冷水呈现向下大环流特征。喘振和管外紧缩流型发生在水温较低的区域，蒸汽与过冷水间的传热速率高，冷凝过程中汽泡小且周期短，汽泡在向下运动的过程中被充分冷凝，并带动湿阱中的过冷水形成向下大环流。向下大环流可充分搅混湿阱内的过冷水，使蒸汽的热量传递给整个湿阱过冷水，湿阱内不存在明显的温度梯度。随着水温的进一步升高，蒸汽与过冷水的传热速率降低，导致冷凝过程中的汽泡逐渐变大，汽泡发展周期增加，汽泡受到的浮升力作用增强，难以带动流体向下流动，此时湿阱内向下大环流现象逐渐消失。由图9b可见，向上脱落流型(向上球型脱落流型或向上T型脱落流型)中过冷水呈现局部向上环流特征。向上脱落流型发生在水温较高的区域，由于汽泡受到的浮升力增大及汽泡发展周期延长，使得汽泡运动方向转变为向上运动，带动湿阱中的过冷水形成局部向上环流。向上环流只能搅混湿阱上层局部过冷水，此时湿阱内热混合不充分导致出现明显的温度梯度，从而导致湿阱内过冷水出现热分层现象。

图8 不同蒸汽质量流速下的热分层现象Fig.8 Thermal stratification with different steam mass fluxes

图9 不同流型对湿阱内水流的影响Fig.9 Effect of different regimes on water movement

图10为热分层起始点在流型图中的分布。可发现，热分层起始点主要聚集在管外紧缩流型与向上脱落流型的边界附近。由于热分层会造成湿阱内冷凝传热恶化，因此准确划分管外颈缩流型与向上脱落流型具有重要意义。

图10 热分层起始点在流型图中的分布Fig.10 Starting point of thermal stratification in condensation regime map

理查森数(Ri)表征强制对流中自然对流的重要性，即浮升力与惯性力之比。由于管外紧缩流型与向上脱落流型的关键区别在于汽泡被冷凝消失前是否因受到浮力而改变运动方向，即浮升力影响是否大于惯性力，因此理查森数可较好地区分两种流型。

本文采用直接接触冷凝理查森数对实验数据进行处理[12]：

(1)

其中：g为重力加速度；T为温度；L为特征长度，取管口到池底的距离；β为热膨胀系数；f为各流型周期变化的频率；δ为周期变化的振幅；下标sat表示饱和温度，amb表示环境温度。

本文所划分4种流型的振幅的定义为流型在整个周期变化过程中，汽泡下界面在竖直方向的最大位移，如图11所示。

蒸汽质量流速为13.73、18.23、26.54 kg/(m2·s)的3组实验的流型与理查森数随水温的变化示于图12。图12表明，在喘振和管外颈缩流型中，随着水温的升高，理查森数增大较缓慢且数值小于1。当由管外颈缩流型转变为向上脱落流型时，理查森数骤然增大并超过1。通过对比分析3组工况的理查森数发现：1) 理查森数随着水温的升高而增大，这是由于随着水温的升高，过冷水的冷凝能力下降，汽泡被冷凝所需的时间增加，即受浮力作用的时间增长，脱落汽泡向下的速度减小，汽泡受到浮升力影响逐渐增大并超过惯性力；2) 在相同湿阱水温条件下，蒸汽质量流速增大，汽泡所受惯性力和浮升力同时增加，但惯性力增量大于浮升力增量，导致理查森数减小；3) 当发生管外紧缩流型时Ri<1，而流型转变为向上脱落流型后Ri>1，所以Ri=1可作为管外颈缩与向上脱落流型划分的阀值。

图11 4种流型的汽泡振幅示意图Fig.11 Bubble amplitude for four regimes

图12 理查森数与流型的关系Fig.12 Relationship between Richardson number and condensation regime

3 结论

本文展开了低蒸汽质量流速条件下蒸汽直接接触冷凝实验研究，得到如下主要结论。

1) 基于冷凝演变形状特征划分了喘振、管外颈缩、向上球型脱落、向上T型脱落4种冷凝流型，依据蒸汽质量流速、湿阱水温绘制了冷凝流型图。

2) 喘振流型和管外颈缩流型使湿阱内形成向下大环流，湿阱内流体充分热混合，不易发生热分层现象。向上脱落流型(向上球型脱落或向上T型脱落)会使湿阱内形成向上局部环流，造成湿阱内冷热流体混合不充分而出现热分层现象。

3) 基于理查森数可对管外颈缩和向上脱落流型进行划分，Ri<1时，流型为管外颈缩，湿阱内热混合充分；Ri>1时，流型为向上脱落，湿阱内易出现热分层现象。