高压气体双孔浸没射流振荡频率特性研究

尹威凯,欧阳勇,崔旭阳,纪文英,谷海峰

(1.中广核研究院有限公司,广东 深圳 518000;2.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)

直接接触冷凝具有较高的传热传质效率,作为快速降压的有效方法广泛应用于反应堆安全壳系统,如沸水堆和小型堆将干阱内的气体直接排入抑压池中以降低安全壳压力[1-2],压水堆自动降压系统ADS将稳压器顶部气体排入内置换料水箱内降低一回路压力[3]。因此直接接触冷凝过程的热工特性(包括水体升温、热分层、冷凝换热、压力振荡等)一直是学界关注的问题。其中射流冷凝过程中强烈的压力振荡会给相关设备造成影响,特别是当冷凝振荡频率与设备固有频率一致时将直接造成设备的共振损伤,严重影响其使用寿命,所以开展振荡频率特性研究对于设备研发和改进具有重要意义。

早期研究主要集中于单孔流行为以便从机理上分析纯蒸汽冷凝状态[4-6],并且为细致分析其冷凝特性,有学者根据不同的流量和温度对冷凝区域进行了划分[7],随着研究的深入,近年来又陆续开展混合气体单孔射流的研究[8-11]。由于多孔射流时射流气羽间会发生相互干涉,所以其特性更为复杂,相关研究还处于起步阶段。Cho等[12-13]研究了冷凝振荡区多孔蒸汽射流压力振荡行为,最终总结出水温和孔间距对振荡频率的影响规律并提出振荡频率的预测关系式。Park等[14]对多孔蒸汽射流冷凝现象进行研究并对射流的冷凝状态进行分区。武心壮等[15]通过九孔射流实验发现压力振荡幅值随蒸汽流量(100～600 kg/(m2·s))增加先减小后增大并且随温度的增加而增加。随后,武心壮[16]又进行了双孔射流实验发现随孔间距的增加振荡幅值先减小后增大(无量纲孔间距1.2～2.0)。Zhao等[17]针对双孔和三孔蒸汽射流的振荡主频特性进行了实验,分析孔间距和数目对振荡主频的影响,发现实验工况下主频随孔间距的增加而增加,随孔数的增加而减小。王珏等[18]对比了单孔、双孔蒸汽射流的振荡特性,发现主频主要受到孔径和水温的影响,最终总结规律提出了大节径比下双孔射流振荡主频的经验关系式。丰立等[19]将系统程序RELAP5、COSINE的模拟结果和实验结果进行对比,分析双孔蒸汽射流直接接触冷凝换热特性,发现模拟结果和实验结果的符合性较好。

根据以上讨论,目前的研究主要集中于纯蒸汽射流冷凝振荡行为,适用于压水堆自动降压系统。然而在沸水堆或小型堆安全壳降压时,安全壳内本身含有的空气会与蒸汽一同排入抑压水池中形成混合气体射流。但目前针对混合气体的研究还相对较少,且现有的纯蒸汽射流特性能否外推到混合气体射流还不得而知,因此开展高压气体多孔射流振荡特性的研究尤为重要。本文在不同过冷度下对高压气体双孔浸没射流振荡主频特性进行一系列实验研究。

1 实验系统介绍

1.1 实验装置与实验方法

实验装置如图1a所示,装置由气体供应系统、实验水箱和数据采集系统组成。气体供应系统由空气压缩机和电加热锅炉组成,设备产生的空气和蒸汽经管道上的流量计后流入同一根管路进行充分混合,过程中利用质量流量计和涡街流量计分别测量两种气体的流量实时监测混合气体的成分比例。整个气体流动管路外包覆有保温层以减少蒸汽流动过程的冷凝,同时在水箱进口处设置压力和温度测点,利用分压定律对入口的气体成分进行二次验证,确保蒸汽空气混合比例准确记录。水箱作为冷源接收混合气体,其内部安装有双孔喷嘴作为气体排放的出口,喷嘴结构如图1b所示,喷嘴为法兰形式便于不同孔间距的喷嘴替换。温度压力信号由传感器采集后传输到NI采集系统进行记录,其中高频压力传感器距离喷嘴出口100 mm处实时采集压力振荡信号,设置采集频率为20 kHz保证压力振荡信号的准确获取。射流图像通过V641高速摄影仪进行记录,设置拍摄频率4 000帧/s捕捉气羽界面的快速变化。

图1 实验系统图

利用以上实验装置进行一系列射流冷凝实验,参照先进沸水堆(ABWR)[20]、经济简化型沸水堆(ESBWR)[21]的抑压水池排放工况确定实验参数,具体工况列于表1。

表1 实验工况

1.2 数据处理

测量到压力振荡信号是随时间变化的压力,振荡频率不能通过压力信号直接获得。数据处理时采用快速傅里叶变换方法(FFT)将采集到时域信号转换为频域信号,然后计算峰值处的频率,即为压力振荡的主频,详细的计算方法如式(1)所示。振荡主频的误差计算采用宋琼等[22]提出的FFT的误差分析方法,计算压力振荡主频的相对误差为12.85%。

(1)

式中:f为频率,Hz;N为采样数据量;pn第n个数据的采样值,kPa;p(f)为压力的频域幅值,kPa;i为虚数。

2 结果与分析

2.1 纯蒸汽射流振荡频率研究

图2为不同温度下双孔射流气羽图像。如图2a所示,水温30 ℃时两气羽相互靠拢,原因是两股气羽间的卷吸导致中间区域形成负压,由于气羽外侧高压内侧低压,气羽在压差作用下表现出向中间汇聚的形态。对比图2a、b,发现当水体由30 ℃升至40 ℃后气羽尺度增大,两股气羽汇聚后合并到一起形成了联合射流。温度进一步升高后,如图2c所示,蒸汽气羽尺度进一步增大,气羽在距喷嘴出口更近处就会汇聚到一起以更大的体积进行冷凝振荡。

图2 纯蒸汽射流图像

图3为排放背压0.4 MPa下单孔和双孔实验的振荡主频随过冷度的变化曲线(排放的质量流量相同),单孔射流振荡主频范围在145～420 Hz之间,双孔射流振荡主频范围在95～340 Hz之间。对比单孔射流与双孔射流主频结果,发现单孔射流的振荡主频高于双孔射流,即孔数增加振荡主频降低该结论与Zhao等[17]的研究一致。原因是单孔射流时气羽四周液相温度较低冷凝速度较快,所以振荡频率更高,而双孔射流时两股气羽的中间区域水体温度较高延长了冷凝时间,导致频率更低。若双股气羽汇聚到一起形成联合射流以更大的气羽进行冷凝,也会延长蒸汽的冷凝时间造成频率的下降。无论是单孔射流还是多孔射流,振荡主频均表现为随着过冷度的增加而增加的规律,其原因是在高过冷度下传质过程增强,则气羽穿透长度和体积缩小,相应地冷凝时间和振荡周期缩短,最终振荡主频增加。值得注意的是,孔数目的增加延长了气羽的冷凝时间,因此多孔射流表现出振荡频率偏低的特性,若振荡频率低则将更接近相关设备的固有频率从而给设备带来共振损坏的风险。

图3 纯蒸汽振荡主频随过冷度的变化

图4为振荡主频随孔间距的变化关系。实验结果表明,孔间距与振荡主频呈正相关,原因是在小的孔间距下两股气羽更易汇聚到一起,同时小孔间距时中间区域温度更高同样抑制了传质速率延长了冷凝时间。当间距持续增加,气羽之间不再发生相互干涉,两气羽更难汇聚到一起,气羽内侧的温度下降直至和外侧温度相当导致冷凝时间缩短,此时振荡主频将趋于单孔射流状态。

图4 纯蒸汽振荡主频随孔间距的变化

为了总结多孔射流振荡主频的规律,Cho等[12-13]考虑了射流排放参数和结构参数对主频的影响,并根据实验数据拟合出经验关系式(2)。将本文和Zhao等[17]的实验结果与经验关系式(2)的预测值进行对比,如图5所示,结果表明关系式(2)的预测效果较差,预测相对误差在-40%～40%之间,出现误差的原因是在Cho实验状态下气体射流速度较低(处于冷凝振荡区),而本实验和Zhao的实验工况处于稳定冷凝区,并且Cho实验的孔数较多(实验条件为20、21个孔)射流过程中气羽间的干涉更为显著,因此预测结果与双孔、三孔射流的实验结果存在明显误差。

图5 式(2)的预测精度

St=0.001 74Ja1.093Re0.891We-0.827I0.298

(2)

式中:St为斯特劳哈尔数,St=fdρw/G;Ja为雅各布数,Ja=ρwcpΔT/ρshfg;Re为雷诺数,Re=Gd/μs;We为韦伯数,We=ρsV2d/σ。其中:d为射流喷嘴的直径,m;ρw、ρs分别为水和水蒸气的密度,kg/m3;G为排放蒸汽的质量流量,kg/(m2·s);cp为水的比定压热容,kJ/(kg·℃);ΔT为水的过冷度,℃;hfg为蒸汽的潜热;μs为蒸汽的动力黏度,Pa·s;V为出口蒸汽速度,m/s;σ为表面张力,N/m;I为孔间距与孔直径的比值,即无量纲间距。

调研发现单孔射流研究已经趋于一致,Hong等[4]根据能量守恒建立了气羽射流冷凝振荡一维模型,模型中振荡主频与气羽长度呈反比,并且汽泡冷凝振荡理论中振荡主频与汽泡尺寸也呈反比规律[11]。本研究发现双孔射流时振荡主频规律与单孔射流和汽泡冷凝振荡类似,即振荡主频与气羽尺寸呈反比,如过冷度下降导致气羽尺度增大,从而冷凝时间延长主频下降。由于双孔射流振荡主频目前还缺乏预测关系式,因此参考单孔射流和汽泡冷凝振荡预测关系式,建立双孔射流主频的预测关系式(3)。设关系式中的X为射流特征尺度,通过对特征尺度X进行数据拟合获得振荡主频的经验关系式,以期对射流速度较高的稳定冷凝区的振荡频率进行有效预测。

(3)

(4)

(5)

式中:n为多变系数,n=1.32;k2/k1为液体主导区与蒸汽主导区的膨胀系数之比;X为多孔射流气羽的特征尺度(气羽特征尺度受间距、温度、流量的影响程度),m;p∞为环境压力,Pa;N′为孔数目;B为蒸汽冷凝的无量纲数;Gm=275 kg/(m2·s)。

图6为经验关系式(3)的预测偏差,其相对误差范围在-15%～20%以内。因此关系式(3)可有效预测双孔、三孔射流的振荡主频,后续可进行更多孔洞射流振荡特性实验并进行验证。根据本文和Zhao的实验工况可确定该关系式,可以对流量300～700 kg/(m2·s)、过冷度20～80 ℃之间的双孔、三孔纯蒸汽射流振荡主频进行有效预测。

图6 f实验值与预测值比较

2.2 混合气射流振荡频率研究

在水温30 ℃时混合气体与纯蒸汽射流图像对比如图7所示。图7结果表明,混合气体射流相较纯蒸汽而言,气羽尺度更大,两气羽在喷嘴出口处直接汇聚到一起。由于不凝性气体的加入,冷凝传质受到抑制导致混合气羽体积增大,并且随着不凝性气体份额Φ增加,传质过程受抑制更为显著,直接导致气羽尺度增大。

图7 混合气体射流图像

图8为不凝性气体对振荡主频的影响。相较纯蒸汽振荡主频(95～340 Hz)加入不凝性气体后振荡频率降低至20～180 Hz之间,并且随着不凝性气体份额增大振荡主频下降。原因是在混合气体射流时,气液界面处的蒸汽冷凝后界面的不凝性气体份额将会提高,从而抑制气羽的传质过程,不凝性气体份额增大后传质的抑制效应也会更为明显,因此不凝性气体份额从0.0～0.4增加过程中振荡主频逐渐下降。同样地,水体过冷度也会影响传质过程导致振荡主频变化,振荡频率表现为随过冷度的增加而增加。纯蒸汽射流主频斜率变化相比混合气射流更为明显,因为纯蒸汽射流时蒸汽在界面直接冷凝传质,所以纯蒸汽冷凝振荡受过冷度影响更显著。然而混合气射流时气液界面的蒸汽迅速冷凝,界面残留的不凝性气体将形成气膜,且受限于不凝性气体浓度,主流气体难以有效吹扫并破坏不凝气膜[23],最终界面处不凝性气体不断聚积,气羽冷凝愈发困难,因此该过程受不凝性气体影响显著,而受温度影响较弱。

图8 主频随不凝性气体份额变化规律

图9为在不同的不凝性气体份额下孔间距对振荡主频的影响。振荡主频均表现为随着孔间距的增加而缓慢增加,直至增加孔间距达到无穷远两气羽不再干涉为止。这一结论与纯蒸汽射流类似,其原因是孔间距增加导致气羽的冷凝时间缩短,进而振荡频率增加。

图9 混合气射流主频随孔间距变化规律

综合以上讨论,相较单孔射流多孔射流振荡主频下降(孔间距1.5d～3d),尤其是引入不凝性气体后传质过程受到显著抑制,冷凝时间延长导致振荡主频下降,振荡主频将低至28 Hz,其频率将会更加接近设备的固有频率,从而造成相关设备的共振损害,因此未来还需针对多孔混合气体射流进行深入研究。

3 结论

本文调整孔间距1.5d～3d,改变不凝性气体份额0.0～0.4,在20～80 ℃过冷度下进行了双孔射流实验,获得了振荡主频变化规律,并且提出了相关的经验关系式,对于双孔射流振荡主频的预测具有一定的工程意义,获得的主要结论如下。

1) 对双孔射流气羽形态观测发现,纯蒸汽射流时两气羽表现出向中间汇聚的形态,当水温升高则气羽尺度增加,两气羽将汇聚到一起形成联合射流。混合气体射流时,由于不凝性气体抑制冷凝,气羽尺度较大则两气羽在出口处便汇聚到一起形成联合射流。

2) 孔间距1.5d～3d范围内,纯蒸汽双孔射流振荡主频低于单孔射流振荡主频,振荡主频与过冷度呈正比,并随着孔间距的增加略有增加。根据主频变化规律,提出针对纯蒸汽射流振荡主频的经验关系式,相对误差范围在-15%～20%之间。该关系式可实现对流量300～700 kg/(m2·s)、过冷度20～80 ℃之间的双孔、三孔射流振荡主频有效预测。

3) 在相同的排放压力下,混合气体射流振荡主频低于纯蒸汽射流主频,由于不凝气体加入抑制了冷凝传质,振荡主频表现出随不凝性气体增加而下降的特性。过冷度和孔间距的影响表现为随过冷度和孔间距的增加主频增加。