豎直向下大、小支管氣相夾帶起始可視化研究

嚴睿豪，曾春杰，辛福濤，張 鑫，孟兆明

(哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在核電站許多系統中，T型管結構被廣泛應用，例如AP1000中非能動余熱排出系統管道、第4級自動減壓系統管道與熱管段構成的T型管結構[1-2]，CANDU堆的集管——進料器所形成的T型管[3]以及反應堆失水事故中由于破口產生的T型管結構[4]等。在冷卻劑管道發生事故時，如果破口處于主管的液相處，那么破口部位可能發生氣相夾帶現象，夾帶現象也會對其他現象的預測和評估帶來影響[5]，因此研究T型管的氣相夾帶現象具有重要的工程價值。

Smoglie、Reimann等[6-7]研究得到了T型管在小尺寸支管條件下的氣相夾帶起始的數學模型以及小支管質量含氣率的數學模型，并給出了從有漩渦流動向無漩渦流動轉變的原因。Bowden和Hassan[8]建立了更完善的小支管氣相夾帶起始的理論模型，并進行了詳細分析。這些模型已被應用到核電站的分析程序中，如RELAP5[9]、CATHARE[10]等。在俄勒岡州立大學APEX實驗臺架上所進行的超設計基準實驗，用RELAP5模型并未成功預測到實驗中出現的堆芯裸露現象，原因是RELAP5模型中夾帶模型對ADS-4這種大尺寸支管并不適用[10-11]，RELAP5-3D對VVER核電廠小破口失水事故的失敗預測也同樣證明了程序中采用了不合適的氣相夾帶模型[12]。對于氣相夾帶，研究主要針對小支管，并且已建立了較為完善和成熟的預測模型和理論體系[13-14]，但并未對大尺寸支管的氣相夾帶進行充分的研究。

本文通過豎直向下的大、小支管實驗臺，對大、小支管的夾帶起始點進行可視化研究，旨在對比大、小支管的夾帶起始現象的差異，并探究大、小支管夾帶起始現象的影響因素和其中的規律。

1 實驗

1.1 實驗臺架

實驗臺架主管內徑為80 mm，大支管內徑為50 mm，小支管內徑為8 mm，支管長度均為410 mm。實驗段長度為2 570 mm，其中上游為1 730 mm，下游為840 mm。文獻[15]中實驗結果表明，低壓下用空氣-水模擬實際反應堆中的蒸汽-水，對夾帶現象并無影響，且空氣-水更易操作，因此本實驗采用空氣-水為工質。

為方便對實驗主管內兩種流體的夾帶起始現象和流動狀態進行觀察，實驗主管段采用有機玻璃為材料。實驗臺架示意圖如圖1所示，T型管上游處有一水平擋板，防止空氣和水在進口段互相混合從分層流變為其他流型影響夾帶。T型管主管段下游封閉，T型管支管靠近水箱處安裝一閘閥，通過調節閘閥開度從而控制主管液位高低。T型管支管尾部少許插入以透明水箱為主體的氣水分離腔，氣液兩相在氣水分離腔分離，聯通氣管、收集裝置、透明水箱均有良好的密封性。

圖1 實驗臺架示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental bench

整個實驗回路分為水路和氣路兩部分。由流量范圍為0～4 m3/h的離心泵供給水路水源，經過幾何尺寸為25 mm的PP-R管(三型聚丙烯管)到達主管道，并在旁通支管后安裝渦輪流量計和熱電偶測量進入主管水的質量流量和溫度。主管道上有一開口，與大氣環境相連通，同時有熱電偶測量空氣溫度。當氣液兩相流經過T型管時，液相會順著支管流出，當液位較低時，將夾帶氣體進入氣水分離腔。在氣水分離腔中存在一擋板，氣相會通過另一管道被質量流量計測量然后進入大氣，液相會經過一系列管道最后回到水箱，完成1個循環。

表1列出主要測量設備及其參數。測量設備的精確度和準確度對實驗數據和結果的準確性影響非常大，因此在選擇實驗儀器時一定要嚴謹。本實驗經過調研并結合理論數據分析，選出了針對本實驗具有最合適量程的儀器，且必須經過標定才能進行實驗。

表1 主要測量設備及其參數Table 1 Main measurement equipment and parameter

實驗中水的質量流量由渦輪流量計測量；測量溫度分布時為了避免影響流場和溫度場，決定采用φ1 mm鎧裝熱電偶；采用壓力變送器測量T型管實驗段壓差；由于氣相夾帶量較少，測量時無法使用常規流量計，因此使用微氣體質量流量計。

質量流量計以及渦輪流量計在安裝時應注意前后至少5D(D為主管內徑)和25D的安裝要求，且與傳感器相連通的直管段的通徑盡可能與傳感器一致，在安裝傳感器時應避開機械振動與強電磁場等。對于體積流量計，需配備溫壓補償裝置，并且應在傳感器下游的3D～5D處設置測壓點，在傳感器下游的6D～8D設置測溫點。對于壓差傳感器的取壓管，應保證在實驗前裝滿水。對于熱電偶，必須插入足夠的深度。

在可視化實驗研究中采用Phantom高速攝像系統以80 幀/s的頻率記錄夾帶起始現象。同時使用NI數據采集系統對液體溫度、主管內壓差、夾帶氣體流量進行數據采集，用LabVIEW編程語言編制控制系統，該控制系統可實現滿足采集數據、分析數據以及圖形現實的要求。

1.2 實驗步驟

1) 在開始實驗前，首先檢查在主管道上的壓差傳感器，確保取壓管內的液位和主管道底端平齊，然后記錄初始液位，同時檢查各管道閥門是否符合實驗要求。

2) 打開離心泵，調節渦輪流量計前的閘閥和旁通支管，使液相流量保持在一穩定值，同時使支管下游閥門開度較小，并保持不變，將主管液位穩定在較高液位。

3) 在這一穩定的液相流量下，再調節支管下游的閥門開度，改變主管液位的高度，使主管液位高度不斷下降直到發生夾帶起始為止。由于夾帶起始是有周期性的，所以每一液位均需一段時間去觀察是否有夾帶起始現象的發生。

4) 改變液相流量，重復步驟3。

5) 結束實驗后排空主管道內的水，觀察此時取壓管的液位和初始液位是否一致，若誤差較大則可能是實驗過程中取壓管被移動，需重新定位取壓管液位再次實驗。

1.3 實驗參數的定義

本文選取的Fr(弗洛德數)的定義為：

(1)

式中：ρL為液體的密度，kg/m3；ρG為氣體的密度，kg/m3；W3L為支管的液相質量流量，kg/s；d為支管直徑，m；v3L為支管流速，m/s。

2 實驗結果

在小支管實驗過程中，由于渦輪流量最小閾值的限制以及支管泄流流量，液相流量僅能在30～95 m3/h范圍內調節。在初始情況下，給定較高的初始液相流量，控制支管閥門開度，緩慢降低主管液位，此時觀察到液面和水的交界處有漩渦出現，當液位逐漸降低時，從漩渦處延伸出1條彎曲的氣道到支管口和主管道的夾角處，氣道從漩渦處向支管處越變越窄，并將少量的氣體夾帶進入支管(圖2)。

第1個彎曲氣道出現后并不是很穩定，僅維持幾s，之后將會消失，再經過一段時間后，才會形成另一個氣道，維持幾s后又消失，然后每隔一段時間均會產生一段維持幾s的彎曲氣道，間隔時間大致相等，且每個循環內產生彎曲氣道的時間也大致相等，因此氣相夾帶起始現象是周期性出現的。當調節閥門使主管液位繼續降低時，彎曲的氣道的直徑將會擴大，氣道穩定的周期變得越來越短，被氣道夾帶進支管的氣泡也越來越大?？諝獗粖A帶進入支管中，形成氣泡直接通過支管并在支管中匯集多個周期的氣泡進而形成泡狀流，圖3a、b表示了支管中氣泡從無到有的過程。在相同的實驗條件下，進行大支管夾帶實驗，可得大支管的夾帶起始的1個周期(圖4)，此時可觀察到1個大的氣室出現，并且在液面和水的交界處有漩渦出現，由圖4a～d可看出漩渦的直徑和長度會明顯變大，最后漩渦底端和氣室相連，另外當有氣泡進入支管中時并不會直接通過支管而是在氣室下方翻騰(圖4c、d)。

圖2 向下小支管夾帶起始發展Fig.2 Development of downward small branch pipe entrainment initiation

圖3 夾帶氣泡變大Fig.3 Expansion of entrainment bubble

大、小T型管夾帶，在夾帶起始的現象上大致相同，均是從出現漩渦開始形成氣道然后發生夾帶，且漩渦呈周期性出現。在支管尺寸的影響下，大、小支管的夾帶起始現象仍有不同：大支管夾帶起始時，支管內會出現氣室(圖4)。對比本文的小支管實驗中，未出現氣室現象。通過不斷調節液相流量，推斷出大支管中出現氣室的原因和液相流量有關，當液相流量較小(W3L<1 000 kg/h)時支管中一般不會出現氣室；當液相流量較大(W3L>1 000 kg/h)時支管中會出現氣室。

圖4 大支管的夾帶起始的1個周期Fig.4 A period of entrainment initiationof large branch pipe

圖5 大支管中漩渦對比Fig.5 Comparison of vortices in large branch pipe

在夾帶起始的1個周期內，小支管內的漩渦尺寸并無明顯變化，而在大支管內的漩渦尺寸變化較為明顯。在夾帶起始周期剛開始時，大支管內的漩渦較小(圖5a)，而在夾帶起始周期的后半段時間內，大支管內的漩渦逐漸變大，且此時由于漩渦變大的影響，氣室也會變小(圖5b)。大、小支管漩渦在周期內大小的變化主要是受幾何尺寸的限制。在小支管實驗中，因支管尺寸太小，小支管夾帶中能形成的漩渦規模十分有限，因此小支管從初始到后來漩渦尺寸變化不大。而大支管能形成的最大漩渦尺寸較大，因此在夾帶過程中具有明顯的尺寸變化。除此之外，大支管中的氣室也影響漩渦尺寸，由于氣室的存在，支管中的流通面積會變小，使液相流速在支管口處突然增大，壓強變小，進而由于伯努利原理，產生的漩渦也較大。

小支管中產生的氣泡會通過支管直接進入到氣水分離腔(圖6a)，但大支管中的氣泡并不會全部進入氣水分離腔，因在大支管中產生的氣泡較大，浮力較大，導致部分氣泡不會隨著液相進入氣水分離腔，而是在氣室下方不斷翻騰(圖6b)，小支管中氣泡較小，不存在這種現象。

圖6 大、小支管夾帶起始現象對比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畫圖可得圖7，對比大、小支管夾帶起始實驗數據，當大、小支管的流速相同時，大支管的夾帶起始的臨界液位明顯高于小支管的。Welter等[15]認為在液相夾帶實驗中夾帶起始點主要與主管內液位高度以及支管Fr有關。當支管Fr不變時，即支管液相流量W3L一定時，主管液位越低，越易發生夾帶起始。當液位高度不發生變化時，支管Fr越大，即支管液相流量越大，越易發生夾帶起始。

圖7 夾帶起始臨界液位與流速關系Fig.7 Relation of entrainment initiation critical liquid level and flow rate

本文求得的支管速度實際上是由W3L求得的，并不是真實的液相流速，而是支管的J3L(支管液相折算速度)。當支管中存在氣室時，J3L與真實的支管速度并不相等，由于大支管中有氣室，導致支管的流通面積被占據一部分，使支管速度明顯大于J3L。相應此時水的慣性力會明顯增大，使得發生夾帶起始的液位變得更高。因此在相同的J3L下，大支管的夾帶起始液位高于小支管的。

3 結語

本文在對大、小支管進行可視化研究的基礎上，發現了大、小支管夾帶現象的不同，并分析其區別，找出了大、小支管夾帶起始現象的影響因素和其中的規律，主要結論如下。

1) 大、小支管夾帶形式為漩渦狀流動，夾帶漩渦通常是不穩定的、周期性出現的，支管內流動為泡狀流。相同支管速度下，在夾帶的1個周期內，大支管中漩渦尺寸變化較明顯，而小支管漩渦尺寸幾乎無變化。

2) 大、小支管的氣相夾帶起始受幾何尺寸影響，依然還是有很多不同。大支管中，當支管液相流量較大(W3L>1 000 kg/h)時，在主管道和支管接口處會形成氣室。

3) 大支管中的氣泡不會全部通過支管進入氣水分離腔，而是在氣室下方不斷翻騰。

4) 在相同的液相折算速度下，大支管夾帶起始液位高于小支管的。