雙端進(jìn)氣T型管夾帶試驗(yàn)研究

向 延，孫都成，章 靜，劉建昌，巫英偉，張 鵬，秋穗正

（1.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049；

2.國(guó)核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 100190）

雙端進(jìn)氣T型管夾帶試驗(yàn)研究

向 延1，孫都成1，章 靜1，劉建昌1，巫英偉1，張 鵬2，秋穗正1

（1.西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049；

2.國(guó)核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 100190）

本文以AP1000為原型，通過(guò)模化分析設(shè)計(jì)建造了試驗(yàn)臺(tái)架（ADETEL），進(jìn)行了雙端進(jìn)氣夾帶起始和夾帶率試驗(yàn)。用高速攝像儀對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行記錄，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，由于試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)條件不同，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)存在較大差異。試驗(yàn)中還對(duì)夾帶頻率進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，在夾帶率較低時(shí)，夾帶周期隨夾帶率的增加而顯著減小，夾帶率較大時(shí)夾帶周期逐漸趨于穩(wěn)定。

雙端進(jìn)氣；夾帶起始；夾帶率；可視化

T型管廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中，可起到相分離和流量分配的作用。AP600／AP1000核電廠中第4級(jí)自動(dòng)降壓系統(tǒng)（ADS-4）采用T型結(jié)構(gòu)，可在小破口事故中對(duì)主回路進(jìn)行卸壓［1－2］。

Zuber［3］于1980年提出了核電廠小破口事故中液滴夾帶的重要性。在隨后的幾十年里，學(xué)者對(duì)豎直向上的T型管夾帶進(jìn)行了廣泛研究，研究重點(diǎn)集中在夾帶起始和夾帶率。Crowley等［4］利用空氣-水對(duì)小尺寸破口下的雙端夾帶進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)與AP1000中ADS-4結(jié)構(gòu)相差較大。在早期的試驗(yàn)中［5－8］，豎直支管和水平主管管徑比d／D較小，且大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在單端進(jìn)氣下得到。文獻(xiàn)［9］以AP600為原型，利用空氣-水對(duì)ADS-4夾帶進(jìn)行了單端進(jìn)氣試驗(yàn)研究，然而AP600中的d／D較AP1000的小，研究結(jié)果對(duì)AP1000中ADS-4夾帶卸壓的適用性并未得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)［10］以AP1000為原型，對(duì)ADS-4夾帶進(jìn)行了單端進(jìn)氣試驗(yàn)研究，但其流動(dòng)發(fā)展長(zhǎng)度較大，主要以分層流流動(dòng)為主，與真實(shí)夾帶有區(qū)別。

ADS-4打開(kāi)后，熱管段的氣流主要由壓力容器和蒸汽發(fā)生器提供，在夾帶后期主要為壓力容器衰變熱產(chǎn)生的蒸汽，單端進(jìn)氣試驗(yàn)中忽略蒸汽發(fā)生器的行為，主要研究壓力容器蒸汽夾帶量。在雙端進(jìn)氣時(shí)，則要考慮蒸汽發(fā)生器和壓力容器中的蒸汽夾帶。本文以AP1000 ADS-4結(jié)構(gòu)為原型，以空氣代替蒸汽作為試驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)雙端進(jìn)氣進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 模化分析

在特定的幾何結(jié)構(gòu)下，流型是影響夾帶過(guò)程的重要因素。ADS-4支管閥門(mén)打開(kāi)后，熱管段內(nèi)的流型可能為分層流、間歇流、環(huán)狀流等多種流型。為此，應(yīng)保證試驗(yàn)臺(tái)架和AP1000中流型及流型轉(zhuǎn)換相似。Taitel等［11］提出水平圓管內(nèi)分層流、間歇流及環(huán)狀流之間的流型轉(zhuǎn)換可通過(guò)修正的氣相弗勞德數(shù)和管內(nèi)相對(duì)液位表示：

其中：f為某一函數(shù)；HL為熱管段液位；D為熱管段直徑；Frg為修正的氣相弗勞德數(shù)，可表示為：

其中：jg為氣相表觀速度；ρg為氣體密度；Δρ為氣液之間的密度差；g為重力加速度。

當(dāng)試驗(yàn)和原型中熱管段內(nèi)相對(duì)液位相同時(shí)，流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則相似，可表示為試驗(yàn)和原型的修正的氣相弗勞德數(shù)相等，即：

根據(jù)Hewitt-Roberts流型圖，ADS-4支管閥門(mén)開(kāi)啟后支管內(nèi)的流型由攪混流過(guò)渡到環(huán)狀流［12］，并最終穩(wěn)定在環(huán)狀流。為保證試驗(yàn)和原型中的ADS-4卸壓管線內(nèi)流型及流型轉(zhuǎn)換一致［13］，Mishima等［14］提出豎直圓管內(nèi)的流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則：

其中：α為空泡份額；d為支管直徑。

式（4）可改寫(xiě)為：

從式（5）可看出，當(dāng)試驗(yàn)和原型中空泡份額一致時(shí)，豎直管內(nèi)流型轉(zhuǎn)換相似可表示為Frg相等。

此外，還應(yīng)該保證夾帶過(guò)程的相似，主要包含夾帶起始和夾帶率過(guò)程相似。應(yīng)該保證夾帶起始發(fā)生時(shí)水平主管內(nèi)無(wú)量綱氣腔高度相似，即：

其中，Hb為對(duì)應(yīng)氣相流量下的夾帶起始高度的氣腔高度。

夾帶起始模型采用Smoglie等開(kāi)發(fā)的模型，該模型被RELAP5程序采用［15］，表示為：

其中：C＝1.67為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；˙mg為氣相質(zhì)量流量；ρl為水的密度。

將式（6）、（7）合并后可得：

其中，ug為支管速度。

支管夾帶率一般由支管含氣率x表示。本文模化分析采用RELAP5中采用的夾帶率模型，可表示為：

由試驗(yàn)和原型的夾帶率相似可得：

當(dāng)試驗(yàn)和原型中熱管段相對(duì)液位相同時(shí)，由式（6）、（10）可得夾帶率相似自然成立。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架

根據(jù)上述模化分析，以AP1000為原型對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架（ADETEL）進(jìn)行了設(shè)計(jì)建造，試驗(yàn)臺(tái)架與原型直徑比為1∶5.6。試驗(yàn)臺(tái)架原理圖如圖1所示。在第1階段的試驗(yàn)中采用空氣-水作為工質(zhì)。空氣由空氣壓縮機(jī)提供，最大流量為0.22 m3／s。空氣壓縮機(jī)后接有2.0 m3的儲(chǔ)氣罐、空氣過(guò)濾器和干燥機(jī)等設(shè)備。進(jìn)入試驗(yàn)段的流量可通過(guò)調(diào)節(jié)旁通管線上的閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)有兩條空氣流量測(cè)量管線，分別用渦街流量計(jì)和V錐流量計(jì)測(cè)量大、小量程空氣流量。進(jìn)氣口對(duì)稱布置在ADS-4支管上、下游位置，試驗(yàn)中兩進(jìn)氣口進(jìn)氣量保持一致。水的最大流量為15 t／h，水流量由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。水在進(jìn)入試驗(yàn)段之前首先進(jìn)入壓力容器內(nèi)的多孔板進(jìn)行流量分配。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)象的可視，試驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃加工。流經(jīng)ADS-4支管的氣液混合物在稱重水箱內(nèi)進(jìn)行氣液分離。稱重水箱下均布有4只稱重傳感器對(duì)夾帶水質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，空氣則直接接至大氣。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用NI采集系統(tǒng)采集。利用Lab VIEW軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和保存。熱管段中ADS-4支管前、后液位采用差壓變送器測(cè)量。利用壓力傳感器對(duì)儲(chǔ)氣罐、水箱及ADS-4管線壓力進(jìn)行測(cè)量。水箱內(nèi)的液位通過(guò)差壓變送器測(cè)量，并標(biāo)識(shí)為DP-1。ADS-4支管上、下游壓差標(biāo)識(shí)為DP-2。水平熱管段和ADS-4支管壓差標(biāo)識(shí)為DP-3。用熱電阻對(duì)回路中的4處溫度進(jìn)行測(cè)量。

2.2 試驗(yàn)操作

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架原理圖Fig.1 Schematic of test facility

在氣相流量恒定條件下，緩慢提高熱管段內(nèi)液位，當(dāng)液位提高到某一臨界值時(shí)，細(xì)小的液柱開(kāi)始從氣液界面夾帶起來(lái)。被夾帶起的液滴隨即破碎成多個(gè)液滴。液滴沿不同軌跡回落至氣液交界面或管壁，只有少許液滴被氣相夾帶至ADS-4支管。由于夾帶量較小，此類夾帶不會(huì)引起水平管內(nèi)液位和DP-3信號(hào)變化，且?jiàn)A帶過(guò)程具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，只能用目測(cè)的方法判斷夾帶的發(fā)生，因此不能將此類夾帶的發(fā)生作為夾帶起始判斷標(biāo)準(zhǔn)。隨著熱管段內(nèi)液位的繼續(xù)升高，較大液柱開(kāi)始從氣液界面分離并被夾帶至ADS-4支管，這時(shí)DP-3信號(hào)會(huì)明顯飛升，且熱管段內(nèi)液位會(huì)明顯降低。本試驗(yàn)中，將DP-3信號(hào)的飛升作為夾帶起始判斷標(biāo)準(zhǔn)。

在夾帶率試驗(yàn)中，在某一恒定氣相流量下，向熱管段內(nèi)不斷注水，熱管段內(nèi)液位不斷升高，當(dāng)液位超過(guò)夾帶起始液位后，夾帶開(kāi)始，最終夾帶量和水流量平衡。繼續(xù)增加水流量，新的穩(wěn)態(tài)夾帶過(guò)程在更高的熱管段液位建立起來(lái)。

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

熱管段內(nèi)流型主要為分層波狀流和間歇流。在穩(wěn)態(tài)夾帶試驗(yàn)中，夾帶過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的周期性。每一夾帶周期主要由兩種夾帶過(guò)程組成，分別為主夾帶和次夾帶。在次夾帶中，ADS-4支管下氣液界面會(huì)呈現(xiàn)出錐形結(jié)構(gòu)，水從錐形波的波峰位置被氣相夾帶出去。次夾帶中夾帶率和DP-3的升幅都較小。次夾帶對(duì)熱管段液位影響較小，熱管段內(nèi)液位繼續(xù)升高直至主夾帶發(fā)生。主夾帶發(fā)生時(shí)，液彈會(huì)首先在熱管段內(nèi)支管的上游或下游形成，并在支管上、下游氣體擠壓作用下快速在支管上、下游間移動(dòng)，經(jīng)過(guò)數(shù)次移動(dòng)過(guò)程后，液彈體積逐漸減小并最終消失。主夾帶的夾帶過(guò)程較短，但夾帶過(guò)程劇烈，夾帶量大，夾帶過(guò)程伴隨著熱管段液位的迅速降低和DP-3信號(hào)的大幅升高。在穩(wěn)態(tài)夾帶率試驗(yàn)中，熱管段內(nèi)液位曲線呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀規(guī)律。

典型的T型管夾帶進(jìn)程如圖2所示。主夾帶過(guò)程結(jié)束后，熱管段內(nèi)液位較低（圖2a），隨著液位的不斷上升，液滴或較小的液柱開(kāi)始從氣液界面分離，液滴開(kāi)始從支管夾帶出去（圖2b）。熱管段內(nèi)液位繼續(xù)升高，液柱開(kāi)始從支管夾帶出去，DP-3信號(hào)明顯升高。支管下方錐形波形成，此即次夾帶（圖2c）。這種夾帶過(guò)程呈現(xiàn)明顯的間歇性，夾帶率較小，對(duì)液位影響較小，因此熱管段內(nèi)液位繼續(xù)升高，直至主夾帶發(fā)生。液彈首先在支管左側(cè)形成（圖2d），隨即傳播到支管右側(cè)（圖2e）。在兩端進(jìn)口氣相推力的擠壓作用下，液彈在支管上、下游間快速振蕩。在振蕩過(guò)程中，液彈每次經(jīng)過(guò)支管下方時(shí)，大量水會(huì)涌入支管并被氣相從支管攜帶出去。主夾帶過(guò)程結(jié)束后，熱管段內(nèi)液位顯著降低，夾帶過(guò)程最終停止（圖2f），單次夾帶周期結(jié)束。

在一定氣相流量下，主夾帶發(fā)生的頻率隨液體注入流量的增加而增大。DP-3和相應(yīng)的熱管段液位隨時(shí)間的變化如圖3所示。圖3中幾處峰值超過(guò)1 500 Pa的DP-3壓差尖峰分別對(duì)應(yīng)不同的主夾帶過(guò)程。從圖3可看出夾帶過(guò)程呈現(xiàn)明顯的周期性，夾帶平均周期為32 s。

圖2 T型管夾帶進(jìn)程Fig.2 Tee branch entrainment process

圖3 壓差和液位隨時(shí)間的變化Fig.3 Pressure difference and liquid level vs.time

3 結(jié)果和討論

3.1 夾帶起始

將夾帶起始數(shù)據(jù)、現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行對(duì)比。不同夾帶起始數(shù)據(jù)的比較如圖4所示。從圖4可看出，熱管段無(wú)量綱夾帶起始高度HL／D隨熱管段氣相弗勞德數(shù)FrD（即慣性力與重力之比）的增加而減小，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)有著相同的趨勢(shì)。本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)［10］的結(jié)果相差較大，在相同的無(wú)量綱熱管段液位下，文獻(xiàn)［10］中達(dá)到夾帶起始時(shí)需要的氣相流量更小。這是由以下兩個(gè)原因造成：文獻(xiàn)［10］中熱管段末端直接用盲端法蘭封閉，水波撞擊到盲端法蘭后反射，促進(jìn)了夾帶的發(fā)生；文獻(xiàn)［10］中利用目測(cè)液滴產(chǎn)生的方法判斷夾帶起始，因此夾帶起始在更低的液位。文獻(xiàn)［9］中的ATLATS與ADETEL的工況相似，ATLATS中的d／D較小，支管處的伯努利效應(yīng)更加顯著，因此在氣相流量相同的工況下可在更低的熱管段液位下發(fā)生夾帶起始。

將夾帶起始數(shù)據(jù)和相關(guān)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，夾帶起始數(shù)據(jù)和現(xiàn)有模型存在較大差距。Smoglie等［5］與Schrock等［6］的模型相近，在某一氣腔高度下，夾帶起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的支管弗勞德數(shù)Frd較低。值得一提的是，Smoglie等開(kāi)發(fā)的夾帶起始模型被RELAP5／MOD3.2［15］所采用，因此，RELAP5不能準(zhǔn)確估算大d／D幾何結(jié)構(gòu)下的雙端進(jìn)氣夾帶起始工況。Welter等［9］開(kāi)發(fā)的模型是建立在假設(shè)ADS-4支管上、下游進(jìn)氣流量相等的條件下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型的差距可能歸因于d／D的不同。

圖4 不同夾帶起始數(shù)據(jù)的比較Fig.4 Comparison of different data for onset of entrainment

圖5 夾帶起始數(shù)據(jù)和相關(guān)模型的比較Fig.5 Comparison of experimental data for onset of entrainment and correlating models

3.2 夾帶率

將夾帶率試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行比較。3種不同氣相流量下支管含氣率和無(wú)量綱氣腔高度的關(guān)系如圖6所示，其中ADS-4支管含氣率x3表示為：

圖6 不同氣相流量下的含氣率Fig.6 Quality under different gas flow rates

從圖6可看出，在相同的無(wú)量綱氣腔高度下，氣相流量對(duì)支管含氣率影響很小，支管含氣率隨無(wú)量綱氣腔高度的增加而增大。當(dāng)x3較小時(shí)，氣腔高度隨x3的升高而顯著增大，在x3較大時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。因此，在熱管段內(nèi)液位較低時(shí)，夾帶水量隨液位的降低而迅速減小。

夾帶率試驗(yàn)數(shù)據(jù)與RELAP5夾帶率模型的比較如圖7所示。夾帶率模型基于雙端進(jìn)氣的假設(shè)。從圖7可看出，夾帶率模型和Smoglie等［5］、Schrock等［6］的數(shù)據(jù)吻合良好。雖然本試驗(yàn)和文獻(xiàn)［9］中d／D相差較大，但數(shù)據(jù)和模型吻合較好，模型預(yù)測(cè)相對(duì)誤差在20%以內(nèi)，因此文獻(xiàn)［9］的夾帶率模型能較好地估算AP1000中ADS-4雙端進(jìn)氣夾帶率工況。

圖7 夾帶率試驗(yàn)數(shù)據(jù)與夾帶率模型的比較Fig.7 Comparison of experimental data for entrainment rate and correlating models

3.3 夾帶頻率

圖8 夾帶率與夾帶周期的關(guān)系Fig.8 Relationship between entrainment rate and period

夾帶率和夾帶周期的關(guān)系如圖8所示。每一夾帶周期包含主夾帶和次夾帶。從圖8可看出，主夾帶頻率隨夾帶率的增加而增大。在低夾帶率范圍內(nèi)，夾帶周期隨著夾帶率的增加而迅速減小。隨著夾帶率的增加，夾帶周期最終穩(wěn)定在3 s左右。夾帶率和每周期內(nèi)夾帶質(zhì)量的關(guān)系如圖9所示。從圖9可看出，不同夾帶率下每周期夾帶質(zhì)量相互接近。當(dāng)氣相流量為0.078 m3／s時(shí)，平均每周期夾帶質(zhì)量為3.79 kg，相對(duì)偏差為15%。

圖9 夾帶率與每周期夾帶質(zhì)量的關(guān)系Fig.9 Relationship between entrainment rate and entrained liquid mass per period

4 結(jié)論

以AP1000為原型，進(jìn)行了雙端進(jìn)氣工況下ADS-4夾帶起始和夾帶率可視化試驗(yàn)，觀測(cè)到了大d／D幾何下雙端進(jìn)氣夾帶特有的試驗(yàn)現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)夾帶過(guò)程呈現(xiàn)明顯的周期性。夾帶率試驗(yàn)中觀測(cè)到了主夾帶和次夾帶兩種類型的夾帶，次夾帶中支管下方會(huì)有錐形的氣液界面形成，液體從錐形波頂部被氣流夾帶至支管。主夾帶中液彈會(huì)在支管上游或下游形成并在支管上下游之間震蕩，液彈隨夾帶過(guò)程逐漸減小并最終消失。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行了比較。由于氣相進(jìn)口工況及d／D等因素的區(qū)別，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)和模型存在較大差距，RELAP5不能準(zhǔn)確估算雙端進(jìn)氣下大d／D結(jié)構(gòu)下的夾帶起始工況，氣相流量對(duì)支管夾帶率影響較小。當(dāng)熱管段內(nèi)液位較低時(shí)，夾帶水量會(huì)隨著液位的降低而顯著減小。文獻(xiàn)［9］夾帶率模型能較好地估算AP1000結(jié)構(gòu)下的ADS-4雙端進(jìn)氣夾帶率。在低夾帶率范圍內(nèi)，夾帶周期隨夾帶率的增加而迅速減小，隨著夾帶率的增大，減小速率逐漸降低并最終穩(wěn)定在約3 s。不同夾帶率下，每周期的夾帶質(zhì)量接近。

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Experimental Investigation of Tee Branch Entrainment with Double Gas Inlets

XIANG Yan1，SUN Du-cheng1，ZHANG Jing1，LIU Jian-chang1，
WU Ying-wei1，ZHANG Peng2，QIU Sui-zheng1
（1.School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；
2.Beijing R＆D Center of State Nuclear Power Technology Corporation，Beijing 100190，China）

The ADS-4 depressurization and entrainment test loop（ADETEL）scaled after AP1000 was constructed to investigate the tee branch entrainment process.The experiment which consists of the onset of entrainment and entrainment rate was accomplished under the double gas inlets conditions.The entrainment process was recorded by a high speed camera and analyzed in detail.The experimental data were obtained and compared with existing data and correlations.The results show that relatively large discrepancies exist in the comparison due to the differences of test section geometric configuration and test condition.The entrainment frequency was investigated in the experiment.It indicates that the entrainment period declines dramatically with the increase of entrainment rate at the low entrainment rate.At the high entrainment rate，the entrainment period gradually stabilizes.

double gas inlets；onset of entrainment；entrainment rate；visualization

TL333

：A

：1000-6931（2015）09-1586-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1586

2014-04-30；

2015-04-15

大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX06004-007）

向 延（1991—），男，湖北武漢人，碩士研究生，核科學(xué)與核技術(shù)專業(yè)