球床反應堆氣—液兩相流流型可視化實驗研究

趙忠南

【摘 要】在新概念核反應堆堆型的研究、碎片床的冷卻、石油和化學工業中的反應床中都涉及球床氣液兩相流。氣-液兩相流流型研究的首要問題是流型的觀測，只有解決了這個問題，后續的流型分類、流型識別、流型與阻力特性的關系等一系列問題才能得以展開。因此，本文研究內容由可視化研究開始，通過可視化研究得到的結果來指導球床空氣-水兩相流流型的相關研究。本章詳細敘述了流型可視化研究的目的、方法和內容，給出了CaCl2溶液的基本物性參數以及可視化研究的結果，為進一步研究球床空氣-水兩相流流型等相關方面的研究掃清障礙。

【關鍵詞】兩相流；球床反應堆；流型；可視化

Visually Experimental Investigation on Flow Patterns of GAS-liquid Two-phase Through Packed Channel With Spheres

ZHAO Zhong-nan

（Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Co.，Ltd.， Rongcheng Shandong 264300， China）

【Abstract】In the research of new-concept nuclear reactor， debris bed cooling， and chemical industry， gas-liquid two-phase flow in porous media are involved. Type gas-liquid two phase flow study is the first problem of flow pattern observation， only solved the problem， the subsequent flow pattern classification， the flow pattern identification， the relationship between the resistance to flow pattern and a series of problems， such as can be. Therefore， this article research content by the visualization study began， through visualization research results to guide the pebble bed type air - water two phase flow of related research. Is described in detail in this chapter flow pattern visualization study purpose， method and content， the basic physical parameters of CaCl2 solution is given and visual results， for the further study on the air bed - water two phase flow and other related research.

【Key words】Two-phase flow； Packed reactor with spheres； Flow pattern； Visualization study

0 前言

在新概念核反應堆堆型的研究中，尋求微球形燃料元件與輕水反應堆（LWR）的結合[1]，實現反應堆良好的經濟性和固有安全性等技術優勢，已經成為近十多年來新概念堆型研發的重要方向之一。球形燃料元件具有安全性高和體積釋熱率大的優點，而水冷堆的技術已經很成熟，實現這兩種技術優勢的結合已經成為近年來球形燃料元件應用探索的重要方向之一。Grishanin[2]指出水冷微球床反應堆與傳統燃料元件反應堆相比有明顯優勢。在微球床反應堆中，燃料球致密排列，充滿整個元件管，冷卻劑流經微球形燃料元件堆積形成的球床孔隙流道。對于沸水堆或直接過熱的反應堆，堆芯內冷卻劑經歷由單相到兩相、甚至過熱蒸汽的全過程，這個過程中存在著微球床多孔通道氣-液兩相流動。所以研究球床氣-液兩相流流型是十分必要的。

可視化研究的根本目的就是采用一種合適的方法，突破球床部復雜結構的限制，使流型觀測成為可能，為流型的識別提供良好的依據，對各種流型的特點有更加深刻的認識。

1 實驗系統和方法

1.1 實驗系統介紹

實驗裝置示意圖如圖1所示。整個實驗裝置由實驗段、供水系統、供氣系統、測量系統和數據采集系統五部分組成。

實驗工質為經由氣-液混合器混合的去離子水與壓縮空氣形成的兩相流體。工質流程為：離心泵將水從水箱中抽取后經過濾器過濾，通過針閥和浮子流量計調節流量；空氣由壓縮機壓縮后儲存在儲氣罐中，經過油水分離器后由調壓閥調節壓力，調節閥調節流量，通過質量流量計后與水在氣-液混合器處均勻混合進入實驗段，在氣-液分離器處氣相排放到環境，水流入水池形成循環。

實驗段由上下法蘭盤、取壓環、有機玻璃管和玻璃填充球組成。實驗段示意圖如圖2所示，長度為L為1000mm，內徑為dc為50mm，為消除進出口效應，進口200mm處設入口測壓點，出口100mm處設出口測壓點。取壓間距ΔL為700mm。裝配好的實驗段豎直固定在實驗臺架上。

為了能夠觀測到兩相流的流動現象，實驗段內分別填充直徑為5mm的透明玻璃球形成微球固定球床床。

1.2 實驗方法

本文采用向有機玻璃管內填充5mm玻璃球的方法來構造球床，進而對球床氣-液兩相流流型進行可視化觀測。由于實驗工質為水和空氣的兩相混合物，實驗中所用的玻璃填充球的折射率為1.54，水的折射率為1.33，二者之間折射率的差別，導致在玻璃填充球與流體的交界面上，光的折射現象非常明顯，為了克服由于折射率不同而產生的的光學效應對觀測流型變化所造成的阻礙，采用折射率補償的方法來進行可視化研究。

所謂“折射率補償”就是在對研究不產生嚴重偏差的情況下，通過有選擇性的改變液相工質的種類及成分，使液相工質與玻璃填充球的折射率差值達到最小，進而有效抑制光在實驗管段內傳播過程中的折射效應的一種方法，從而達到所要求的觀測效果。

本文在可視化研究的過程中，液相工質選擇過程中應考慮以下基本原則：

（1）透明、無毒、不易揮發。

（2）燃點、閃點必須足夠高，其蒸汽與空氣混合遇明火不爆炸。

（3）性質穩定，與玻璃填充球以及有機玻璃實驗管不發生物理化學反應。

（4）對實驗裝置不發生影響實驗結果的物理化學反應，其中主要包括：不腐蝕壓差變送器及相關實驗儀表，對實驗用泵不造成嚴重腐蝕。

（5）密度、運動粘度、表面張力要控制在合理可行的范圍之內，流體應為牛頓流體。

本文篩選的無機鹽溶液有ZnSO4溶液、ZnCl2溶液、CaCl2溶液、NaCl溶液、ZnSO4+ZnCl2溶液、CaCl2+NaCl溶液、CaCl2+ZnCl2溶液。對以上七種溶液進行了折射率補償的可視化實驗，并結合液相工質選擇過程中必須遵守的基本原則，最終選用CaCl2溶液進行可視化研究。

2 CaCl2溶液折射率參數及濃度的確定

折射率是表征物質光學特性的重要參數。本文采用2WA-J阿貝折射儀，測量了質量分數分別為10%、20%、30%、34%、40%的CaCl2溶液的平均色散。CaCl2溶液的折射率受質量分數的影響很大，質量分數也大，折射率越大。

從圖3中可以看出如果CaCl2溶液質量分數過小，不足以滿足折射率補償的要求；如果質量分數過大，伴隨折射率提高，補償效果明顯的同時，粘度、密度以及表面張力等參數會迅速增加，導致觀察到的流型與空氣-水產生較大的差別。

經過實驗比對發現質量分數為34%的CaCl2溶液能達到很好觀測效果的同時，各項物性參數與水相比也很接近，不會造成很大的實驗偏差。因此本文最終選取質量分數為34%的CaCl2溶液來進行流型可視化研究。其各項物性參數列于表1中。

3 實驗結果及分析

本文采用目測法觀測流型，實驗過程中發現，氣、液兩相在實驗段同一截面上的分布情況相同。實驗分別觀察到泡狀流、串狀流、液柱脈沖流、乳沫脈沖流、環狀脈沖流五種流型，各流型結構如圖4所示。

3.1 泡狀流流型

氣相以小氣泡的形式分布在液相中。在球床孔隙內穿行，氣泡分散，氣泡直徑與孔隙相當。氣相流量一定的情況下，隨著液相流量的增加，氣泡有變小的趨勢；在液相流量一定的情況下，隨著氣相流量的增加，氣泡變大，由于孔隙的限制，氣泡開始變形，其形狀與孔隙形狀有關。

3.2 串狀流流型

在泡狀流的基礎上，隨著氣相流量的進一步增加，實驗管段內含液率減小，多個變形的氣泡相互聚合，形成形狀不規則的細長氣串。氣串短軸長度與孔隙相當，長軸的長度為多個孔隙加和。氣串以極好的韌性沿著填充球所構成的孔隙隨液相向上流動。流動過程中，隨著孔隙的變化，氣串會發生斷裂和重新聚合的現象。串狀流是一種過渡流型，存在的范圍很小。

3.3 液柱脈沖流流型

這是一種在不同液相流量下普遍存在的一種流型，發生在串狀流之后。在串狀流的基礎上，隨著氣相流量的進一步增加，流動開始出現脈動，在高液相流量下這種現象更為明顯。隨著脈動的進行，出現類似于常規管道中彈狀流的情形，出現明顯的液柱段和富氣段。其中液柱段，基本觀測不到氣相的存在，其長度隨氣相流量的增加而變短；富氣段為氣、液兩相混合，氣相有多種存在形式，其中包括了氣泡、氣串等。這種流型的脈沖頻率穩定，幾乎不隨氣相流量的增加而變化。

3.4 乳沫脈沖流流型

這種流型在氣相流量和液相流量較高時出現，這種流型存在的范圍很大。在液柱脈沖流的基礎上進一步增加氣相流量，流型便過渡到乳沫脈沖流。在乳沫脈沖流中流動狀態仍然為脈沖流動，所不同的是不再有明顯的液柱存在，取而代之的是富液區與富氣區兩部分交替經過測壓點。在富氣區，氣相和液相的存在形式與液柱脈沖流不同，氣相以單一的、大量的小氣泡形式存在，氣泡直徑要比孔隙當量直徑小，氣泡形狀規則。富液區中氣泡數量要比富氣區少得多，但仍以小氣泡的形式存在。這種流型的脈沖頻率也比較平穩。

3.5 環狀脈沖流流型

在液相流量很小，氣相流量很大的情況下，可以觀測到這種流型的發生。由于氯化鈣溶液的表面張力和粘度都比較大，氣相更容易以氣泡的形式存在，因此，實驗過程中這種流型觀察到的很少。

3.6 流型圖

以氣、液兩相雷諾數為橫縱坐標作流型圖如圖5所示。

4 結論

4.1 通過對溶液性質的分析，最終選擇質量分數為34%的CaCl2溶液進行流型可視化研究。

4.2 實驗過程中觀察到泡狀流、串狀流、液柱脈沖流、乳沫脈沖流、環狀脈沖流五種流型，并分別以氣、液兩相雷諾數為橫縱坐標繪制了流型圖。

4.3 同一流型下，氣、液兩相在實驗段同一截面上的徑向分布相同，即近壁面處觀察到的流型與實驗段內部流型相同。

【參考文獻】

[1]閆曉，肖澤軍，等.微球形核燃料元件輕水堆概念的研究進展[J].空泡物理和自然循環實驗室年報，2006：1-12.

[2]Grishanin. E， Garner F.A， Shea T.E. Long life nuclear reactor without open-vessel re-fueling， 2005.3：28-35P[Z].

[3]H.L.Zhang. G. H.Chen. S. J. Han， Viscosity and density of H20+NaCl+CaCl2 and H20+KCl+CaCl2 at 298.15K.J.Chem.engrg.1997：526-530P[Z].

[責任編輯：湯靜]