豎直向下大支管T型管氣相夾帶實驗研究

豎直向下大支管T型管氣相夾帶實驗研究

丁雷1,2，董博3,4，孟兆明1,2，傅孝良3,4，田文喜1,2，楊燕華3,4，蘇光輝1,2

(1.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安710049；

2.西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安710049；

3.國家核電技術公司 軟件技術中心，北京102206；

4.國家能源核電軟件重點實驗室，北京100029)

摘要：基于可視化夾帶實驗，本文對由水平主管段和大尺寸支管組成的T型管進行夾帶起始和穩態夾帶研究，并與RELAP5中的氣相夾帶模型進行對比。結果表明：本實驗中夾帶起始時所出現的漩渦形式與前人的研究結果相似；穩態夾帶實驗中觀察到一種全新的無旋夾帶形式；壓差與氣相夾帶基本為線性關系，T型管主管與支管壓差越大，氣相夾帶越小。

關鍵詞：大支管；豎直向下支管；氣相夾帶；可視化

中圖分類號：TL333 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-07-21;修回日期：2015-03-11

基金項目：大型先進壓水堆核電站重大專項資助項目(2011ZX06004-024)

作者簡介：丁雷(1989—)，男，江蘇邳州人，碩士研究生，核科學與技術專業

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2024

Experimental Study on Gas Entrainment through T-junction

with Large Vertical Downward Branch

DING Lei1,2, DONG Bo3,4, MENG Zhao-ming1,2, FU Xiao-liang3,4,

TIAN Wen-xi1,2, YANG Yan-hua3,4, SU Guang-hui1,2

(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,

Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;

2.SchoolofNuclearScienceandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;

3.StateNuclearPowerSoftwareDevelopmentCenter,Beijing102206,China;

4.NationalEnergyKeyLaboratoryofNuclearPowerSoftware,Beijing100029,China)

Abstract:The onset entrainment and stable entrainment for T-junction composed of a large downward-oriented branch and a horizontal main pipe were researched based on visualization experiment. The gas entrainment experiment results were compared with the calculating results from RELAP5. The experimental results indicate that the formation of vortex at the onset entrainment is similar with the previous research results. A new vortex-free entrainment formation is observed during stable entrainment. The entrainment quantity of gas has linear relation to the pressure difference. The entrainment quantity of gas decreases with the increase of pressure difference between the branch and the horizontal main pipe.

Key words：large branch; downward-oriented branch; gas entrainment; visualization

大支管T型管被廣泛應用于電廠的管道網絡中，因此對通過T型管的兩相流研究很早以前就引起了大家的關注[1]。一些針對豎直向下支管氣相夾帶的模型已被添加到核電廠系統分析程序(如RELAP5、CATHARE等)中[2-4]，但這些模型均是以熱腿或冷腿上的小破口LOCA為背景，即模型皆是基于豎直向下的小支管/小破口的夾帶實驗得到的，當這些模型用于分析豎直向下的大支管氣相夾帶時，需重新評估是否還適用。

受重力作用影響，T型管中最容易出現的流型是分層流。當分層流流經T型管接口處時，若液位高度達到臨界(即氣腔高度達到臨界值h)或支管質量流量達到臨界值，氣相夾帶將可能出現[5-7]。氣相夾帶分為兩種，有旋夾帶和無旋夾帶[6-8]。Smoglie等[7-8]發現，當主管下游流速較小時有旋夾帶是不穩定的，而當主管下游流量足夠大時氣相夾帶總是穩定的無旋夾帶。Smoglie等[8]提出了忽略黏度和表面張力影響的夾帶起始模型和穩態夾帶模型，這些模型已被RELAP5和CATHARE程序所采用[3-4]，并被廣泛應用。此后，針對有旋夾帶和液相橫流，Maciaszek等[4]和Yonomoto等[9-10]分別提出了相應的修正因子，但上述夾帶研究均是圍繞小破口/小支管T型管進行。文獻[11-13]從理論上模擬了豎直向下T型管的氣相夾帶，但基于CANDU堆進出口管道的氣相夾帶研究仍屬于小支管夾帶研究領域。

本文針對大支管情況下的氣相夾帶現象進行實驗研究，采用高速攝像儀記錄夾帶相關現象，與前人的研究結果和RELAP5中氣相夾帶起始模型進行對比分析。

1實驗

1.1實驗回路

氣相夾帶實驗回路如圖1所示。T型管水平主管段中為分層流，底部為液相，頂部為與大氣連通的氣相。液相從主管段流入，支管段流出，在一定條件下會夾帶一定量氣體從支管進入氣水分離器。氣水分離器出口端連接聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可視化管段，以便于觀察，并確保氣水分離器排出的氣體是干燥的。夾帶氣量通過接在PMMA可視化管段下游的氣體質量流量計測量。此外，恒定流量下，水平主管段液位通過控制支管段上的閥門調節。

圖1　氣相夾帶實驗回路示意圖 Fig.1　Schematic of test facility of gas entrainment

1.2實驗段

本文基于Meng等[14]對AP1000中ADS-4液相夾帶實驗臺架的改造，延用原尺寸實驗段進行支管豎直向下的T型管氣相夾帶實驗研究。實驗段主管內徑D為80 mm，其他參數列于表1。為便于觀察，選取PMMA作為T型實驗段的材料。T型實驗段如圖2所示。

表1　實驗段主管的幾何參數

1.3實驗步驟

氣相夾帶實驗分為起始夾帶和穩態夾帶。實驗中，由泵為主管段中氣-液兩相分層流提供穩定液相流量，通過控制支管段閥門調節主管段液位以尋找夾帶起始點。夾帶起始發生后，緩慢開大閥門，進行穩態夾帶研究。

圖2　T型實驗段 Fig.2　T-junction test section

夾帶起始的判定標準示于圖3。夾帶起始的判定標準直接影響到實驗結果的準確性，本實驗中有兩個時刻與夾帶起始點密切相關：一個是緩慢增加氣腔高度時，有漩渦開始夾帶氣泡進入氣水分離器的時刻(圖3a)；另一時刻發生在上一階段的逆過程中，在夾帶產生后緩慢增加液位高度，夾帶停止的時刻(圖3b)。因此，將這兩個時刻氣腔高度的平均值定義為該流量下夾帶起始臨界高度hb。

a——有旋夾帶和夾帶氣泡；b——無夾帶氣泡 圖3　夾帶起始的判定標準 Fig.3　Criterion of onset entrainment

實驗在常溫、常壓下進行，液相流量為3 t/h。為準確得到夾帶起始臨界高度，液位變化必須控制得足夠緩慢(<1 mm/min)。因而，支管泄流量被認為等于主管段給水量，實驗假設為穩態實驗。

2實驗結果

2.1夾帶起始的可視化研究

前人對豎直向下支管氣相夾帶的研究均集中在對小支管的研究，包括熱腿或冷腿上的小破口[6-8]和CANDU堆的給水構件[5,15]等，支管內徑d與主管內徑D的比值均小于0.2，且支管內的流型狀況未被記錄。

本實驗采用d/D為0.625的大支管T型實驗段。通過大支管T型管的氣相夾帶形成過程如圖4所示。對比Reimann等[6]對小支管夾帶的研究可發現，與小支管夾帶相似，大支管氣相起始夾帶也是有旋夾帶。有旋夾帶通常是不穩定的，且是間歇性出現。有旋夾帶發生時，空氣被以氣泡形式夾帶進支管，形成泡狀流。同時，在T型管接口處會生成氣室。

a～f為夾帶起始順序編號 圖4　夾帶形成的過程 Fig.4　Formation process of entrainment

2.2RELAP5中的夾帶模型

RELAP5是核電廠系統安全分析的常用軟件，其中采用了針對豎直向下的T型管氣相夾帶計算的夾帶模型，但研究發現其夾帶模型對豎直向上的大支管氣相夾帶的模擬是不準確的[16]。因為RELAP5中的夾帶模型來源于小支管氣相夾帶研究。因此，本文對RELAP5中的夾帶模型是否適用于豎直向下的大支管氣相夾帶進行研究。

Froude數Fr定義如下：

(1)

其中：ρL為液相密度；v3L為支管液相流速；g為重力加速度；ρG為氣相密度；W3L為T型管支管泄流流量。

RELAP5中豎直向下T型管氣相夾帶的夾帶模型為：

(2)

將式(1)代入式(2)得：

(3)

其中，hb/d和Fr分別代表夾帶起始時的臨界氣腔高度hb和支管泄流流量W3L的無量綱量。

式(3)計算結果與實驗數據的對比如圖5所示。由圖5可見，RELAP5的計算結果與實驗數據的變化趨勢基本相同，但在對hb的預測中，RELAP5的計算結果明顯高于實驗數據。這可能是由于RELAP5中的夾帶模型已不適用于大尺寸支管氣相夾帶，需對豎直向下大支管的氣相夾帶進行進一步研究。

圖5　RELAP5計算結果與實驗數據的對比 Fig.5　Comparison of calculated values of RELAP5 and experimental data

圖6　有旋夾帶向無旋夾帶的過渡 Fig.6　Transition of vortex entrainment to vortex-free entrainment

2.3穩態夾帶可視化研究

夾帶起始完成后，繼續增大氣腔高度，夾帶實驗進入穩態夾帶階段。實驗顯示，隨著氣腔高度增加，流型由有旋流轉變為無旋流。有旋夾帶向無旋夾帶的過渡如圖6所示，由圖6可見漩渦消失，支管入口處液面波動劇烈，且氣室仍然存在。無旋氣相夾帶如圖7所示，該階段主管上游液位明顯高于下游，支管口處氣室更大，并有大量氣泡從無旋渦尾部被夾帶進入支管段。

a～f為無旋氣相夾帶順序編號 圖7　無旋氣相夾帶 Fig.7　Vortex-free gas entrainment

豎直向下小支管氣相夾帶如圖8所示。對比圖7、8可發現，本實驗與小支管氣相夾帶的無旋流型式有很大差異。Reimann等[6]的研究指出，對于小支管夾帶，受壁面摩擦因子影響，無旋流在更低的液位出現，且液位降低也會抑制有旋流。對于大支管夾帶，過大的支管橫截面無法被較低的泄流流量充滿是產生無旋流的主要原因，如圖9所示。

圖8　豎直向下小支管無旋氣相夾帶 [8] Fig.8　Vortex-free gas entrainment of downward-oriented small branch [8]

2.4壓差對夾帶的影響

對于小支管T型管的有旋和無旋夾帶，氣腔高度和支管泄流流量是影響氣相夾帶的主要因素。但大支管無旋夾帶與小支管的機理不同(圖8)。本實驗中恒定流量下，T型管主管段上、下游的液位是穩定的，但通過控制支管上的閥門改變T型管支管和主管壓差，氣相夾帶量也會隨著發生變化。這說明T型管主管和支管的壓差也是夾帶的影響因素。

不同壓差下的氣相夾帶如圖10所示，可見壓差小的支管段中氣泡更多。壓差對氣相夾帶的影響如圖11所示，壓差與氣相夾帶基本為線性關系，T型管主管與支管壓差越大，氣相夾帶量越小。而壓差減小的同時，支管入口處氣室會增大，氣相夾帶的增強可能是由氣室的增大導致。

a——無旋夾帶圖像；b——無旋夾帶示意圖 圖9　大支管的無旋夾帶 Fig.9　Vortex-free entrainment of large branch

a——主管支管壓差較大；b——主管支管壓差較小 圖10　不同壓差下的氣相夾帶 Fig.10　Gas entrainment under different pressure differences

圖11　壓差對氣相夾帶的影響 Fig.11　Effect of pressure difference on gas entrainment

3結束語

本文對豎直向下大支管T型管的氣相夾帶進行實驗研究，與小支管夾帶相似，大支管起始夾帶也是有旋夾帶。在T型管接口處可觀察到一個氣室，在壓差作用下，氣體從漩渦尾部夾帶出并融入該氣室。

對RELAP5中的氣相夾帶模型的適用性進行分析。RELAP5計算的起始液位高度明顯高于實驗數據，這可能是由于RELAP5中的夾帶模型已不適用于大尺寸支管氣相夾帶。

在穩態夾帶實驗中發現了一種與先前研究完全不同的無旋夾帶。分析認為，因支管截面積過大，液相無法填滿整個支管，無旋夾帶得以產生。

研究發現，隨著T型管主管和支管間的壓差減小，氣相夾帶增強。氣室在壓差對夾帶的影響中可能起到重要作用。

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