带定位格架棒束通道两相流相界面输运特性

2024-01-08任佳星王若好王方东乔守旭韦宏洋谭思超高璞珍

哈尔滨工程大学学报 2023年12期

任佳星, 王若好, 王方东, 乔守旭, 韦宏洋, 谭思超, 高璞珍

(哈尔滨工程大学黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室,黑龙江哈尔滨 150001)

压水堆的燃料组件由带定位格架的棒束组成,除支撑和定位燃料组件外,定位格架对增强冷却剂搅混,强化换热和提高安全性等方面起到重要作用[1]。当反应堆处于正常运行过冷沸腾和事故工况下,燃料组件内部会形成气液两相流动,受压力、相变、对流及局部效应等的影响,气液两相间交界面的形状、尺度等会随流动发生变化,导致空泡份额、相界面浓度和相间漂移速度等参数发生变化,从而影响两相间的传热传质及相间阻力特性[2]。传统的两相流的计算方法通常从两相流宏观现象出发[3],根据不同的相界面特征划分不同的流型,针对各种流型分别开展实验研究并基于流道的平均实验数据建立各参数的预测模型[4]。在使用过程中,首先根据流动工况确定流型,进而根据流型选择不同的空泡份额及相界面浓度等参数的预测关联式,RELAP5、TRACE及COBRA-TF等核电系统分析程序均采用这种计算方法。实际两相流的相界面结构随流动的发展始终在发生改变[5],气泡受相间作用力的影响会发生破裂、聚合等现象并引起流型的转变,而采用基于流型的预测方法一般使用单一流型的预测关联式进行完整模型的计算,无法考虑流型转变引入的预测偏差。因此有必要对两相流相界面结构的沿程变化进行研究,获得其动态变化特性,促进对现有静态预测模型的评价与改进。

本文对带定位格架的5×5棒束通道空气-水两相流开展实验研究,获得气液两相相界面结构参数的截面分布规律及轴向演化规律;基于截面分布数据进行面积平均获得其一维输运特性;并分析定位格架及气相表观流速对相界面结构输运的影响。

1 棒束通道两相流实验系统

1.1 实验回路

本文所采用的实验回路如图1所示,在5×5棒束通道竖直向上两相流实验中,水泵驱动水箱中的去离子水经过滤器后,分两路进入气泡发生器及竖直实验段,经气水分离器进行气水分离后回到水箱。一体式空压机产生压缩空气储存于容积300 L的压缩空气罐,压缩空气经电磁阀进入气泡发生器,进而进入实验段及气水分离器,最终排入大气。

注:1.空气压缩机,2.干燥器,3.空气过滤器,4.气罐,5.减压阀,6.质量流量控制器,7.给水,8.给水过滤器,9.水箱,10.离心泵,11.过滤器,12.电磁流量计,13.分流器,14.气泡发生装置,15.电导探针测量系统,16.定位格架,17.光学测量系统,18.多段压差测量系统,19.实验本体,20.数据采集系统,21.计算机终端,22.气水分离器。图1 棒束通道两相流实验系统Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

实验段的结构图如图2所示,实验段总长1 500 mm,为三段拼接式结构,每段长500 mm,围成截面为66.1 mm×66.1 mm的正方形内流道,棒的直径为9.5 mm,棒间距为12.6 mm,内置带搅混翼的定位格架,如图2(c)所示,其由条带、钢凸、弹簧及搅混翼片组成。在实验段上布置多个探针测量窗口,可以固定电导探针,并通过调整探针在流道内部的相对位置实现对流道径向相界面参数的测量。

图2 棒束通道实验本体结构Fig.2 Schematic diagram of rod bundle channel test section

1.2 测量设备

液相体积流量采用OPTIFLUX 2000电磁流量计进行测量,其量程为90.5 m3/h,不确定度为0.3%。空气流量采用Sevenstar D07-23F型质量流量计测量,其量程为30 SLM,不确定度为满量程值的±1.5%。压力和差压采用Rosemount 3051CD差压变送器测量,其量程为50 kPa,精度等级为0.075级。

两相流气相参数的测量采用如图3所示的自制4头电导探针进行测量,4头电导探针的测量面积约为0.2×0.2 mm2,上下游探针间距约为1.5 mm。探针尖端最小尺寸为50 μm左右,因此,探针对气泡上游界面的侵入效应影响较小。

图3 电导探针测量窗口Fig.3 The conductivity probe measurement window

(1)

式中:T为测量时间;Nb为气泡数量;Δtg,j为第j个气泡在探针尖端的停留时间。

(2)

式中:Δs为2个探针在主流方向上的轴向距离;tdelay, j为第j个气泡与上下游探针作用的时间差;Neff为4个探针同时记录到的有效气泡信号数。

(3)

式中:vi和ni分别为第j个界面的界面速度和界面单位法向量;N为时间间隔T内通过的相界面数。

2 实验工况及测量方法

2.1 实验工况

为研究棒束通道两相流的相界面结构输运特性,选取4个泡状流实验工况开展实验,分别在40.4Dh、68.1Dh、79.3Dh及90.5Dh处使用4头电导探针进行测量,获得空泡份额、气泡速度、相界面浓度、平均索特直径及气泡频率等参数的截面分布。水的表观流jf为0.7 m/s,实验工况的大气压下空气的表观流速具体如表1所示。68.1Dh位置处的流动工况在流型图上的分布如图4所示。

表1 实验工况表Table 1 Measurement conditions

图4 定位格架上下游两相流流型图Fig.4 Upstream and downstream flow regimes of rod bundle channel with a spacer grid

图5 探针测量点布置Fig.5 Probe measurement points arrangement

图6 探针气相速度及气体流量计测量结果对比Fig.6 Comparison of gas-phase velocity measured by conductivity probe and flow meter

2.2 测量方法

在定位格架下游,气液两相流体受到强烈的搅混作用,相界面结构参数分布发生变化,需要增加测量点以提高实验精度。采用如图 5所示的测量点布置方式,包含了中心子通道、边通道以及棒壁面边缘处流道中心位置在内的21个测量点。同时,为了获得足够多的有效气泡数量,使用电导探针在每个测点以50 kHz的采样频率持续测量至少60 s。

2.3 测量精度验证

为了实现对电导探针测量精度的验证,本文采用电导探针测得的气泡速度的一维截面平均值与气体流量计的测量值进行对比。由于仅获得了棒束通道内一条直线上的参数值,选用Paranjape[8]和任全耀[9]的截面平均方法,假设相界面参数的分布满足幂函数分布,积分得到一维截面参数平均值。

如图 6所示,<αvg>表示基于空泡份额加权的一维气泡速度截面平均值,z表示z截面上压力计算得到的气体流速的截面平均值,实验得到的工况数据绝大部分处于20%误差线以内,因为入口条件,仅在40.4Dh处的2组工况误差较大。

Wu等[10]将4探头电导探针测量的气泡分为Group-Ⅰ(球形气泡和变形气泡)和Group-Ⅱ(帽状气泡、泰勒气泡和搅混气泡)2类,本文所选工况皆为泡状流,对应为Group-Ⅰ类气泡。图 7给出了40.4Dh处不同气相流速下,气泡频率和空泡份额的径向分布,其中横坐标x表示探针测量点距离左壁面的距离,浅矩形阴影表示燃料棒所在位置。

如图7(a)所示,工况1条件下,总体上球形气泡与变形气泡的数量相差不大,棒束壁面附近球形气泡较多。随着气相速度的增大,中心棒两侧子通道中心处变形气泡较多,棒束壁面附近球形气泡较多且差值变大。如图7(b)所示,增大气相流速,总空泡份额增大,且变形气泡空泡份额所占的比值增大。由于气相流体是由本体底部中心处圆柱形多孔介质产生,在距离入口处较近时,大气泡没有充分流动、扩散出去,聚集在通道中心的子通道中,导致相界面参数的分布与幂函数分布相差较大,计算得到的截面平均参数的误差增大。计算全部截面工况的平均误差为±20.85%,定位格架下游截面的平均误差为±13.57%,说明4探头电导探针的测量结果较为合理。

图7 定位格架上游不同气相表观流速下相界面参数对比Fig.7 Comparison of interfacial parameters under different superficial gas velocities upstream of the spacer grid

3 相界面结构输运特性分析

利用4探头电导探针对棒束通道内各截面的典型工况进行测量,分析空泡份额α,相界面浓度ai、气泡速度vg、平均索特直径Dsm和气泡频率f等相界面参数的径向分布特性与一维轴向演化特性,并且分析气相流速对相界面参数分布的影响。

3.1 局部相界面结构沿程变化

图8给出了工况2(jf=0.7 m/s和jg,atm=0.05 m/s)在40.4Dh、68.1Dh、79.3Dh和90.5Dh处空泡份额、相界面浓度、气泡速度和平均索特直径的径向分布,其中40.4Dh处位于定位格架上游充分发展段,其余截面位于格架下游。在定位格架上游,流动未受到搅混作用的影响,相界面结构参数呈对称分布。如图 8(a)和(b)所示,格架上游处空泡份额和相界面浓度的局部峰值在棒壁面边缘附近得到,在子通道中心处取得最小值,此种分布类型即为“壁峰型”分布[11],经判别本文所选全部工况皆为“壁峰型”分布。

图8 工况2相界面结构参数径向分布演化Fig.8 Development of radial profile of interfacial parameters for condition 2

气泡在流动过程中所受的横向力主要有指向壁面的升力[12]、促使气泡远离壁面的壁面(润滑)力[13]及湍流耗散力[14]等,其合力即为气泡受到的净横向力,在其影响下,在流动过程中气泡向壁面处移动,导致棒壁面附近的空泡份额增大。在泡状流条件下,由于气泡尺寸较小,形状较为规则,空泡份额和相界面浓度近似呈线性分布,相界面浓度也随之增大。

如图 8(c)和(d)所示,气泡速度和平均索特直径沿径向分布相对稳定。气泡速度的分布与空泡份额相反,在子通道中心处取得峰值,这主要是由于气泡在壁面处聚集引起速度降低导致的。受到入口条件的影响,变形气泡聚集在子通道中心处,导致平均索特直径的峰值不明显,在整个截面中心附近较大,截面两侧壁面附近较小。

图9所示为定位格架上下游流动结构,可以看出,两相流体经过定位格架之后,受到了定位格架的搅混作用、剪切作用、压降作用等因素的综合影响,使得相界面结构参数发生了一定变化[15]。如图 8(a)和(b)所示,空泡份额以及相界面浓度的峰值均发生了偏移,壁面处峰值降低,气泡存在向子通道中心处聚集的趋势,这主要是由于定位格架引起了流体的横向移动造成。

图9 工况2定位格架上下游流动结构图Fig.9 Flow structure in the upstream and downstream of spacer grid for condition 2

图10 不同气相表观流速相界面结构参数径向分布对比Fig.10 Comparison of radial profile of interfacial parameters under different superficial gas velocities

图11 相界面结构参数截面平均值一维轴向演化Fig.11 One-dimensional development of averaged interfacial parameters

如图8(c)和(d)所示,气泡速度的径向分布变化不明显,但是平均索特直径的分布受到了较大的影响。在68.1Dh处,流体经过格架后,气泡尺寸显著减小,并且在子通道中心处出现了较为明显的局部最小值,这与格架上游存在明显差异。这是主要是由于定位格架对气泡的剪切导致气泡的整体尺寸减小,原子通道中心处的变形气泡被切割后转变为尺寸较小的球形气泡,入口条件的影响被削弱。此位置处平均索特直径变为典型“壁峰型”分布特点,即平均索特直径在棒壁面附近存在局部峰值,在子通道中心存在局部最小值。这种现象也印证了气泡在棒壁面处聚集的判断,正是因为气泡的聚集合并导致了气泡尺寸的增大。

在90.5Dh处,气泡经过定位格架后发展了一段距离,由于液相湍流和升力的综合作用,气泡的整体尺寸增大,棒壁面间隙处气泡尺寸相对减小,大气泡存在向子通道中心处移动的趋势,这是因为随着气泡在棒壁面间隙处聚集,减小了附近的流道面积,液相流体的速度梯度发生改变,升力方向转变为指向子通道中心处导致的。

3.2 气相表观流速对相界面结构的影响

为探究气相表观流速对相界面结构分布的影响,图 10所示为各工况下定位格架下游L/Dh=68.1,jf=0.7 m/s处相界面结构参数径向分布的对比。在泡状流条件下,气相流速较小,湍流导致的气泡破裂,气泡聚合发生的概率较小。随着气相表观流速的增大,相界面结构参数仍保持“壁峰型”分布特性。由于气泡的频率和尺寸增大,空泡份额和相界面浓度的分布相似且均有所增大。气泡速度总体上比较稳定,由于气相离散,液相连续,随气相表观流速的增大有减缓增大趋势,气泡速度主要受液相的速度影响。与此同时,由于气泡速度增大而液相速度不变,导致气液两相的相对速度增大,升力的作用导致α和ai通道中心处的峰值更加明显。

3.3 一维相界面参数分布特性

为了研究5×5棒束通道内相界面参数的一维分布特性,对各工况下各截面处的相界面参数α、ai、vg和Dsm分别取面积平均值得到〈α〉、〈ai〉、〈vg〉和〈Dsm〉,并将其绘制于图 11中,jf为0.7 m/s。

定位格架对气泡的作用主要可以分为湍流漩涡导致的气泡聚集和搅混翼片、刚凸和弹簧对气泡的剪切导致的气泡破裂2类,共同作用在气泡上并产生相反的结果。当漩涡导致的气泡聚集占优势时,气泡尺寸增大,向子通道中心聚集;当剪切导致的气泡破裂占优势时,气泡被切割成小气泡并向壁面处聚集。本文所选工况下,并未存在占绝对优势的一类作用,故相界面参数的分布特性需要同时考虑2种作用的影响。

如图 11(a)所示,经过定位格架后,空泡份额有所降低,结构的差异主要是因为定位格架的横向作用力导致气泡向子通道中心方向聚集,但是没有在子通道中心处形成峰值,根据本文选取的截面平均方法,其峰值所在位置并未被用来计算截面平均值,导致〈α〉偏小。但是由图 11(a)所示,经过定位格架后空泡份额是存在增大的趋势的,这是由于定位格架的搅混作用导致其下游形成压降区,造成气泡在压降区内聚集引起的。经过定位格架作用区,随着流动的发展,压强的减小导致气泡膨胀,〈α〉逐渐增大,图 11(d)中经过定位格架后〈Dsm〉的增大也证明了该观点。

如图 11(b)所示,经过定位格架后,相界面浓度显著升高,这主要是因为定位格架对气泡的剪切作用所导致的,图 9直观地展现了气泡流经定位格架后气泡尺寸的减小及数量的增加,这都将导致相界面浓度的升高。经过定位格架作用区后,随着流动的发展,定位格架导致的湍流作用减弱,气泡的聚合大于破裂,气泡的尺寸增大但相界面浓度降低。

如图 11(c)所示,经过定位格架后,气泡速度的径向分布变化不大,但是〈vg〉有所降低,这是由于定位格架产生的压降区导致的,气泡在此区域内聚集,气泡发生横向移动,气泡沿主流方向的速度降低。经过定位格架作用区后,随着流动的发展,气泡速度重新增大,并在较小的范围内波动。