棒束通道內定位格架的兩相流動局部阻力實驗研究

閆超星，閻昌琪，孫立成，田齊偉

（哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

棒束通道內定位格架的兩相流動局部阻力實驗研究

閆超星，閻昌琪＊，孫立成，田齊偉

（哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

在常溫、常壓條件下，對豎直3×3棒束通道內定位格架的單相及兩相局部阻力特性進行了實驗研究。單相流動實驗時，水雷諾數的變化范圍為290～18 007；兩相實驗時，氣相、液相表觀速度變化范圍分別為0.013～3.763m／s和0.076～1.792m／s。利用單相實驗數據得到的定位格架局部阻力系數計算關系式，用兩相實驗數據對均相流模型中8種不同的兩相等效黏度計算方法進行了評價。Rel＜9 000時，Dukler模型的預測效果最好；Rel≥9 000時，McAdams計算方法預測效果最好；基于所有數據，Dukler模型的計算值與實驗值吻合最好，平均相對誤差為29.03%。考慮了質量含氣率、兩相雷諾數及氣液相密度的影響，對Rel＜9 000時的實驗數據進行了擬合，得到的經驗關系式的計算值與實驗值符合較好。

棒束通道；定位格架；單相流；兩相流；局部阻力特性

棒狀燃料元件廣泛應用于壓水堆和沸水堆。定位格架作為支撐燃料元件的關鍵部件，保證燃料元件不發生振動和橫向移動。但流體流經定位格架時，定位格架的隔片將棒束通道分成了若干子通道，減小了流通面積的同時增加了與固體壁面的接觸面積，因此增加了定位格架處的局部壓降。在壓水堆的正常運行工況，除堆芯最熱通道允許出現欠熱沸騰外，其余通道為單相流動；在壓水堆事故工況及沸水堆運行工況，堆芯內部會發生兩相流動。在一些類型核反應堆的設計中，一回路冷卻劑流量的計算、反應堆自然循環能力的確定及堆芯內流動不穩定性分析等均涉及定位格架局部阻力的計算。因此，對定位格架單相及兩相局部阻力特性的研究十分必要。

定位格架的結構比較復雜，不同的結構形式也導致了對定位格架較難形成適用性范圍很廣的計算關系式。因此，研究者大都基于實驗數據提出經驗關系式，這些不同關系式的適用范圍有限，僅能適用于特定結構和尺寸的定位格架壓降計算。對于單相流體，Rehme［1］認為阻塞率（定位格架流通面積與棒束通道流通面積的比值）是決定定位格架局部阻力的關鍵因素。由于定位格架結構不同，Rehme關系式并不能較好地預測Lee等［2］的實驗結果。對于兩相流動，由于兩相流理論尚不成熟，且定位格架中兩相流動情況更加復雜，因此較難形成一致性的結論。閻昌琪［3］從兩相流動機理入手，根據動量守恒關系式導出了定位格架的局部壓降關系式，其公式僅適用于高壓加熱條件。目前，對棒束通道內定位格架局部阻力特性的研究還十分有限。本文采用豎直3×3棒束通道，在常溫、常壓條件下，利用獲取的單相實驗數據結果，建立計算定位格架局部阻力的均相流模型，并對不同等效黏度關系式的均相流模型計算方法進行評價，分析均相流模型應用于定位格架的適用性。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

1 實驗裝置

實驗以空氣和水為工質，實驗裝置如圖1所示，整個實驗裝置由供水系統、供氣系統、3× 3棒束實驗段和數據采集系統四部分組成。實驗開始前，利用氣泵向儲氣罐中充氣，保持較高的壓力。實驗時，先啟動氣泵，調節減壓閥，將閥后的壓力維持在0.3MPa。打開氣回路閥門后，啟動水泵，氣和水的流量均通過調節閥來調節，兩相混合物流經實驗段后，進入氣水分離器，在其內部依靠重力自然分離。實驗過程中，固定水流量，氣流量依次由小到大調節，待每個工況穩定后，記錄實驗數據，完成一個循環；然后再改變水流量，進行下組實驗。

棒束實驗段的外殼采用透明有機玻璃板，圍成橫截面為34mm×34mm的正方形通道，有機玻璃板厚度為10mm。實驗段總長為2 000mm，距實驗段入口500、1 000和1 500mm處分別布置定位格架。測壓點分布及通道橫截面分別如圖2、3所示，測壓段L1和L2分別長350mm和120mm，用來測量棒束的沿程阻力和定位格架的局部阻力。通道內分布9（3×3）根有機玻璃棒，棒直徑為8mm，棒心距為11mm，棒壁距（棒與壁面的最小距離）為2mm。

圖2 測壓點分布及定位格架示意圖Fig.2 Position of pressure measurement and spacer grid

圖3 棒束通道橫截面Fig.3 Cross section of rod bundle

液體流量采用科氏質量流量計（Promass 83）測得，精度等級為0.1級；氣體流量采用3個熱式質量流量計測得，型號包括GFM 17、GFM 37和GFM 57，精度等級均為1級；實驗段壓力由3個壓力傳感器（PR35X）測量，精度等級為0.2級；工質溫度采用二級標準溫度計測量，水溫在水箱回水口取樣測量，氣溫以室溫為準。流量和壓力信號采用NI高速數據采集系統采集，采樣頻率為256Hz，單次采集時間為20s。實驗在常溫、常壓（20℃、0.1MPa）下進行，氣液兩相表觀速度分別為0.013～3.763m／s和0.076～1.792m／s。

2 實驗數據處理

本文實驗條件下，豎直棒束通道內為絕熱流動，測壓段L1的總壓降Δpt1包括摩擦壓降和重位壓降，測壓段L2的總壓降Δpt2包括摩擦壓降、重位壓降和定位格架的局部壓降Δpsg。因此，定位格架的局部阻力為：

式（1）對單相和兩相流動均適用。對于兩相流動，均相流模型是將兩相流體看作一種均勻混合的介質，兩相局部壓降可表示為：

式中：Ksg為局部阻力系數；G為兩相質量流速，kg／（m2·s）；β為體積含氣率；ρg、ρl和ρm分別為氣相、液相和兩相流密度，kg／m3。

與兩相總質量流量相同的液體質量流過定位格架的局部壓降為：由

式（2）、（3）可得全液相折算系數：

其中，x為質量含氣率。

實驗誤差由儀表誤差和測量誤差組成，其直接影響實驗結果的精度，采用Moffat［4］的不確定度計算方法，得到了如表1所列的測量參數的不確定度。

表1 測量參數的不確定度Table 1 Uncertainty of measured parameter

3 實驗結果分析

3.1 單相局部壓降

單相流局部阻力特性實驗結果如圖4所示，將Cevolani［5］、Kim等［6］和Chun等［7］的預測結果也繪于圖中。Cheng等［8］提出了棒束通道內層流向過渡流過渡的劃分準則：Rec＝300× 101.7（P／D－1），P／D表示棒心距與棒直徑的比值，當Re＜Rec時為層流，否則為過渡流和湍流。本文實驗段P／D＝1.375，對應的Rec＝1 302。由圖4可知，單相局部阻力系數（Ksg）sp隨Re的增加表現出不同的變化趨勢，轉折點在Re＝1 300左右，與Cheng和Todreas針對棒束通道摩擦阻力系數的分區準則相吻合。同時Cevolani、Kim和Chun等的關系式并不能較好地預測實驗值，其原因為本實驗采用的定位格架結構不同。此外，定位格架結構的復雜性與多樣性也限制了計算關系式的適用范圍，所以采用單相數據擬合結果能較好地反映本實驗所用定位格架的結構，為后文分析兩相局部阻力特性奠定了基礎。經數據擬合，得到單相局部阻力系數（Ksg）sp與 雷諾數的關系式為：

式中，常數a和b的取值列于表2。

范丞丞很火，他隔空喊李晨一句“姐夫”就能上熱搜。但9月8日晚在南京，他哭了都沒能上熱搜。在那場樂華七子NEXT巡回粉絲見面會上，范丞丞哭得梨花帶雨。他說，“因為最近發生的事情很多，可能使我變得更加敏感了吧。”就在兩天前，他在個人微博上寫道：中世紀的鐘聲敲響，戴好王冠準備出場。配圖中，范丞丞頭戴王冠，身著披風，意氣風發。18歲，到底還是太年輕。南京之行，舞臺上的范丞丞被問及10年后的樣子，明顯情緒不穩，哽咽落淚。按照往常，姐姐一定會出來打打氣，安慰鼓勵一番。但翻遍了各種渠道，人們也沒有找到范冰冰的任何消息。從6月2日至今，她的微博已經100天沒有更新了。

圖4 單相流局部阻力特性實驗結果Fig.4 Experimental result of single－phase flow local resistance characteristic

表2 式（5）中常數取值Table 2 Constant value in Eq.（5）

單相實驗結果為后文兩相局部阻力的計算奠定了基礎。根據式（5），式（4）中兩相局部阻力系數（Ksg）tp和全液相局部阻力系數（Ksg）lo的關系式如下：

式中：μtp和μl分別為兩相等效黏度和液相動力黏度，Pa·s；Dh為棒束通道的當量直徑，m。

3.2 兩相局部壓降

均相流模型中，計算兩相局部阻力的關鍵是μtp的確定，目前，計算μtp的幾種常見方法列于表3。其中，μg為氣相動力黏度。

表3 兩相等效黏度關系式

定義平均相對誤差（MAE）：

其中：n為實驗數據點數；Δppred和Δpexp分別為摩擦壓降計算值和實驗值。

將表3中所列的8種等效黏度均相流模型的計算值與實驗值進行比較，結果示于圖5。由圖5可知，8種等效黏度關系式的平均相對誤差均隨Rel的增加而減小。Rel＜9 000時，相對誤差很大，且隨Rel的減小而迅速增大；Rel≥9 000時，等效黏度關系式預測的大部分實驗數據的相對誤差低于20%。因此，以Rel＝9 000為分界標準，對8種等效黏度的均相流模型進行分區評價（表4）。其中，McAdams和Dukler關系式對局部壓降的計算值與實驗值的比較結果示于圖6。

圖5 平均相對誤差隨分液相雷諾數的分布Fig.5 Mean relative error vs.Rel

表4 基于實驗數據的評價結果Table 4 Evaluation results of correlations against experimental data

氣相和液相混合均勻與否決定著均相流模型適用性的好壞。棒束通道內，定位格架的隔片將通道分成了許多小單元，流通面積的減小導致小單元內的平均流速大于棒束通道，此外，隔片上凹凸的彈片對兩相流動產生攪混和擾動作用。在Rel較低時，兩相間的滑移較大，彈片增加了氣相的橫向運動，兩相滑移進一步增大，導致大部分等效黏度關系式的預測效果較差。隨液相流速的提高，Rel≥9 000時，定位格架有助于氣相破裂成小氣泡，增強氣液相間的攪混，因此，均相流模型能很好地預測定位格架的局部壓降。

圖6 局部壓降的均相流模型計算值與實驗值對比Fig.6 Comparison of calculated local pressure drops by homogenous flow models and experimental data

3.3 修正關系式的提出

3.2節的分析表明：Rel＜9 000時，幾種基于常見的計算μtp的均相流模型對定位格架兩相局部壓降的預測效果較差。由式（4）可知，兩相雷諾數、質量含氣率及氣液兩相的密度比是影響全液相折算系數的重要因素。因此，對Rel＜9 000的實驗數據進行擬合，其中兩相黏度按McAdams方法計算，得到如下關系式：

全液相折算系數在Rel≥9 000時采用式（4）計算，在Rel＜9 000時采用式（9）計算。公式的適用范圍：常溫、常壓（20℃、0.1MPa）條件；P／D＝1.375；0.007＜β＜0.98。計算值與實驗值的比較結果示于圖7。顯然，相對于等效黏度的均相流模型，擬合的經驗關系式能更好地預測實驗范圍內的摩擦壓降，幾乎全部的實驗數據落在±30%的誤差帶內。對全部數據預測結果綜合評價：平均相對誤差為13.5%；落在±30%誤差帶內的數據點比例為94.6%。

圖7 局部壓降計算值與實驗值的比較Fig.7 Comparison of calculated and experimental local pressure drops

4 結論

1）按照Cheng和Todreas流態準則分區，得到了棒束通道內定位格架的單相局部阻力系數計算關系式。

2）基于兩相實驗數據對8種兩相黏度均相流模型進行分區評價：在Rel＜9 000范圍內，Dukler模型的預測效果最好，平均相對誤差為32.61%；在Rel≥9 000的范圍內，McAdams計算方法預測效果最好，平均相對誤差為12.63%；基于所有數據評價，Dukler模型的計算值與實驗值吻合最好，平均相對誤差為29.03%。

3）考慮了質量含氣率、兩相雷諾數及氣液相密度的影響，對Rel＜9 000范圍內的實驗數據進行了擬合，得到的經驗關系式的計算值與實驗值符合較好。

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Experimental Study on Local Resistance of Two－phase Flow through Spacer Grid with Rod Bundle

YAN Chao－xing，YAN Chang－qi＊，SUN Li－cheng，TIAN Qi－wei
（Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

The experimental study on local resistance of single－phase and two－phase flows through a spacer grid in a vertical channel with 3×3rod bundle was carried out under the normal temperature and pressure.For the case of single－phase flow，the liquid Reynolds number covered the range of 290－18 007.For the case of two－phase flow，the ranges of gas and liquid superficial velocities were 0.013－3.763m／s and 0.076－1.792m／s，respectively.A correlation for predicting local resistance of single－phase flow was given based on experimental results.Eight classical two－phase viscosity formulae for homogeneous model were evaluated against the experimental data of two－phase flow.The results show that Dukler model predicts the experimental data well in the range of Rel＜9 000while McAdams correlation is the best one for Rel≥9 000.For all experimental data，Dukler model provides the best prediction with the mean relative error of 29.03%.A new correlation is fitted for the range of Rel＜9 000by considering mass quality，twophase Reynolds number and liquid and gas densities，resulting in a good agreement with the experimental data.

rod bundle；spacer grid；single－phase flow；two－phase flow；local resistance characteristic

TL334

A

：1000－6931（2015）02－0279－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0279

2013－11－15；

2013－12－27

國家自然科學基金資助項目（11175050，51376052）；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（HEUCFZ1122）

閆超星（1988—），男，河北唐山人，博士研究生，從事反應堆熱工水力及氣液兩相流研究

＊通信作者：閻昌琪，E－mail：Changqi＿yan＠163.com