低流速下渦流二極管單向性實驗研究

吳燕華，何兆忠，陳 堃

(中國科學院上海應用物理研究所,上海201800)

低流速下渦流二極管單向性實驗研究

吳燕華，何兆忠，陳 堃

(中國科學院上海應用物理研究所,上海201800)

為研究氟鹽冷卻高溫堆(Fluoride-salt-cooled High temperature Reactor, FHR)非能動余熱排出系統的控流裝置——渦流二極管在低流速下的性能參數，建立了實驗裝置，測試了在水工質下由3D打印尼龍材料渦流二極管的單向特性，并由實驗結果得到相同結構尺寸的渦流二極管在FliBe工質下的壓降值。研究結果表明，本文實驗流量范圍內測得的渦流二極管單向性隨雷諾數的增加不斷升高，最大值為23。正向流動阻力系數隨雷諾數的升高不斷降低，反向流動阻力系數隨雷諾數的增大先增大后降低。研究結果還表明本文研究的渦流二極管結構不適用于小功率氟鹽冷卻高溫堆非能動余熱排出系統的設計。

氟鹽冷卻高溫堆；非能動衰變熱排出系統；渦流二極管；單向性；FLiBe；壓降

渦流二極管是一種反向流動阻力大，正向流動阻力小的非能動流體控制裝置，類似于單向閥。其結構簡單，無運動部件，工作時無需外部控制和動力，因此發生機械故障概率低，可靠性高，易維護。因這一單向流動特性及其特有的非能動特性，渦流二極管被引入FHR的非能動余熱排出系統中。當反應堆正常運行時，渦流二極管處于高流阻狀態，限制流量的通過，降低堆芯旁路帶走堆芯熱量。當完全喪失電源的情況下，流向逆轉，渦流二極管處于低流阻狀態，建立自然循環將堆芯余熱排出。在上述兩種工況下，渦流二極管內部的絕大部分流動處于低流速下，且其單向性影響非能動余熱排出系統的冷卻能力。作為非能動余熱排出系統的關鍵設備，需要研究低流速下渦流二極管的性能。

目前，有關渦流二極管的研究主要集中于結構優化[1,4]及動力輸送系統領域[5,6]，對于流體控制領域方面的報道很少，尤其缺乏應用于FHR非能動余熱排出系統中實際可行的設計及實驗數據。因此，為了得到滿足非能動余熱排出系統流體控制要求的渦流二極管性能參數，有必要建立研究渦流二極管在低流速下單向性的實驗裝置。因FHR的冷卻劑FLiBe有較強腐蝕性及高熔點，直接進行實驗難度較大及成本較高，已有文獻[7]通過模化分析并數值模擬驗證表明可采用較安全及方便的水代替FLiBe研究相同結構尺寸渦流二極管內的單向特性。

因此，本文在自行設計的實驗裝置上，以水為工質進行了渦流二極管單向性的實驗研究，并根據模化獲得相同結構尺寸的渦流二極管在FliBe工質下的壓降值，可為建立非能動余熱排出系統的設計方法提供參考。

1 FHR非能動余熱排出系統

FHR是先進的第四代反應堆，集合了四種核能技術的優勢：熔鹽堆的液態氟鹽冷卻劑、高溫氣冷堆的TRISO燃料、快堆的非能動系統與池式結構、火電廠的布雷頓動力循環技術。美國加州大學伯克利分校(UCB)設計的一種900 MWth 410 MWe FHR非能動余熱排出系統[8]如圖1所示。

圖 1 非能動余熱排出系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of [8]

非能動余熱排出系統的一個關鍵設備為渦流二極管：當反應堆正常運行，堆芯熱量主要靠一回路系統排出，堆芯旁路中的流體從下往上流，渦流二極管限制了大量冷卻劑進入旁路，此時處于反向流動高流阻狀態，以阻止非能動余熱排出系統帶走堆芯熱量。同時，少量冷卻劑通過渦流二極管將熱量通過DHX帶至冷卻回路的熔鹽，防止凝固。當完全喪失電源的情況下，主泵停止運行，非能動余熱排出系統依靠自然循環排出堆芯整體熱量的2%：堆芯旁路流體流向逆轉，從上往下流，由堆芯熱熔鹽與旁路冷熔鹽之間溫差所產生的驅動力建立自然循環，此時渦流二極管處于正向流動低流阻狀態，需足夠的流量通過DHX將堆芯余熱帶至冷卻回路，再由空冷塔排至大氣中。靠自然循環排出的余熱只是滿負荷時運行的一小部分，即通過旁路的流量基本還是很小。在上述兩種工況下，非能動余熱排出系統中渦流二極管內部的絕大部分流動處于低流速狀態，其冷卻劑FLiBe的設計質量流量為9.06 kg/s[9]。

根據文獻[7]的模化方法，為保證水與FLiBe在渦流二極管內的流動達到相似，需使雷諾準則、歐拉準則分別相等[7]。

(1)

(2)

通過計算，25℃水與堆芯正常工況下和事故工況下600～700℃FLiBe在渦流二極管內的流動要達到相似，則水需要的體積流量為3～7m3/h[7]。

2 渦流二極管

本文采用的渦流二極管實驗本體如圖2。渦流二極管由三部分組成：切向管、渦腔和垂直管。當流體從切向管進入渦腔形成旋渦，高離心力產生較高的徑向壓力梯度，即形成較大的壓降，此時稱為反向流動。當流體從垂直管進入渦腔，形成徑向流動，流動阻力很小，基本相當于兩個90°彎頭的阻力，此時稱為正向流動。

圖 2 渦流二極管Fig.2 Schematic of the vortex diode

評定渦流二極管性能最常見的參數是單向性E：在相同入口流速下，反向流動阻力系數與正向流動阻力系數的比值：

E=Eur/Euf

(3)

式中，Eur為反向阻力系數；Euf為正向阻力系數。

(4)

式中，ΔP為渦流二極管兩端的壓降；ρ為流體密度，kg·m-3；Q為體積流量，m3/s； A為切向管與渦腔連接處的橫截面積，m2；V為A處對應的流體速度，m·s-1。

3 實驗裝置

測試渦流二極管性能的實驗裝置流程圖如圖3所示。實驗回路工作原理為：水箱中的室溫水經手動閥2、離心泵分兩支路，一路通過旁路閥4流回水箱，另一路進入渦流二極管支路：調節閥5、三通閥6、流量計8/9，從反向/正向流過渦流二極管，再經過三通閥7、手動閥17返回水箱。實驗中通過調節閥門5旁路閥4及泵頻率改變進入渦流二極管支路的水流量，通過三通閥6和7改變渦流二極管的工作模式：反向流動時三通閥6和7的A、C口打開，B口關閉，以切向管作為入口；正向流動時A、B口打開， C口關閉，以垂直管作為入口。測量儀器連接至PLC控制柜，數據采集的頻率為1Hz。實驗參數范圍如表1。

圖 3 渦流二極管性能測試實驗裝置流程圖Fig.3 the schematic of the water loop testing the performance of the vortex diode表 1 回路參數Table 1 Parameters of the loop

參數單位流量m3/h0～9設計壓力MPa10設計溫度℃0～60

實驗中采用的渦流二極管由FORTUS400MC三維打印機制作，材料為黑色尼龍，用標準不銹鋼喉箍與管道連接安裝在水回路中，如圖4。尺寸見表2。

圖 4 實驗本體Fig.4 Vortex diode made by 3D printer表 2 渦流二極管實驗結構參數(mm)Table 2 Structural parameters of the vortex diode (mm)

名稱類型符號渦腔內徑d150高度h25噴嘴垂直管dA?dE?dAO25?20?409圓弧半徑RC16切向管dT?dTO25?409錐角θ5°

4 實驗結果及分析

圖5為正向流動尼龍材料的渦流二極管兩端的流動阻力系數Euf隨雷諾數Re的變化曲線。從圖中可以看出，Euf隨Re的升高不斷降低。圖6為反向流動時尼龍材料的渦流二極管兩端的流動阻力系數Eur隨雷諾數Re的變化曲線。從圖中可以看出，Eur隨Re的增大先增大，在Re為20 000后則不斷降低。分析其原因，可能是因3D打印技術本身的工藝致使渦流二極管的結構有微小孔隙，當隨著流速增大，腔心壓力不斷增大，當Re為20 000后渦腔開始變形滲水泄壓，從而Eur不斷降低。

圖5 Euf隨Re的變化曲線Fig.5 Plot of Euf vs. Re

圖 6 Eur隨Re的變化曲線Fig.6 Plot of Eur vs. Re

根據間接測量的不確定度分析，可得Eu的合成不確定度S：

(5)

式中：Xi, (i=1, 2, …, 6): 流量Q，壓降Δp，進口壓力P1，進口溫度T1，出口壓力P2，出口溫度T2；

ui,: 參數Xi在測量過程中的重復測量誤差；

si:參數Xi的測量儀表的示值誤差；

根據式(5)計算得到：正向阻力系數合成不確定度的最大值為0.145，而反向阻力系數合成不確定度的最大值為0.632，且隨著流速增加，不確定度不斷降低。

根據上述實驗結果及式(3)即可得到單向性E，如圖7。從圖中可以看出，渦流二極管的E隨Re的增加而增加，在Re為20 000后則增加的速度變慢，目前達到最大值為23。

由本實驗測得的在水工質下渦流二極管兩端的壓降值，根據文獻[7]的模化方法計算可得到在FliBe工質下相同結構尺寸的渦流二極管兩端的壓降值，計算結果如圖8和圖9所示。

圖 7 E隨Re的變化曲線Fig.7 Plot of E vs. Re

圖8 ΔPf隨G的變化曲線Fig.8 Curves of ΔPf vs. G

圖9 ΔPr隨G的變化曲線Fig.9 Curves of ΔPr vs. G

則本文研究的渦流二極管結構應用于 900 MWth 410 MWe FHR時，在650℃ FLiBe工質流量為9.06 kg/s[9]下正向流動產生的壓降為193kPa，反向流動產生的壓降為4239kPa。而根據Qiuping Lv[10]的研究，20MWth FHR在正常工況下渦流二極管處于反向流動時設計的兩端壓降為12463 Pa，事故工況下渦流二極管處于正向流動時設計的兩端壓降為303 Pa。本文計算結果遠遠大于20MWth FHR的設計值，表明該實驗用的渦流二極管結構不適用于該20 MWth FHR的非能動余熱排出系統。

本文3D打印得到的實驗本體，其表面相對粗糙，在正向流動與反向流動過程中渦流二極管的流動壓降都有所增加，但綜合后對性能的影響效果無法預測，還需進一步研究。未來將考慮采用表面相對較光滑的不銹鋼鑄造實驗本體，通過與本文結果對比研究粗糙度對渦流二極管性能的影響。

5 結論

通過對低流速下3D打印的尼龍渦流二極管單向性的實驗研究，得到以下結論：

1) 渦流二極管Euf隨Re的升高不斷降低，Eur隨Re的增大先增大后降低。

2) 單向性E隨Re的增加不斷升高，在本實驗流量范圍內，最大單向性為23。

3) 本實驗流量范圍內測得的渦流二極管水工質下的壓降值，經模化計算得到相同結構尺寸的渦流二極管在FliBe工質下的壓降值，這可為FHR非能動余熱排出系統的設計提供參考。并表明本文實驗用的渦流二極管結構不適用于小功率FHR的非能動余熱排出系統。

[1] Kulkarni AA, Ranade VV, Rajeev R, et al. CFD simulation of flow in vortex diodes[J]. AIChE Journal, 2008, 54 (5): 1139-1152.

[2] Kulkarni AA, Ranade VV, Rajeev R, et al. Pressure drop across vortex diodes: Experiments and design guidelines[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64 (6): 1285-1292.

[3] 焦磊, 陳樅楠, 吳淳杰, 等. 切向管結構對渦流二極管性能影響的數值模擬[J]. 工程熱物理學報, 2011, (03): 415-418.

[4] 邵森林, 李江云, 邱寒. 提高渦流二極管性能的數值仿真分析[J]. 工程熱物理學報, 2011, (06): 953-956. [5] 王樂勤, 孫青軍, 焦磊. 渦流二極管泵輸送系統性能研究[J]. 工程熱物理學報, 2009, 30(09): 1499-1501.

[6] 郭彥華. 核用氣動式脈沖液體射流泵和渦流二極管泵性能實驗研究[D]. 清華大學, 2004.

[7] 吳燕華，曹 寅，曲世祥，何兆忠，陳 堃.工質替代FLiBe研究渦流二極管單向特性的模化分析[J]. 核技術，2014, 37(11).

[8] Forsberg C, Hu L W, Peterson P F, et al. Fluoride-salt-cooled High-temperature reactors (FHRs) for base-load and peak electricity, grid stabilization, and process heat[R]. America: Massachusetts Institute of Technology, University of California at Berkeley, and University of Wisconsin, 2013.

[9] R. Burnett, D. Caso, and J. Tang. Fluidic Diode Development and Optimization[R]. Department of Nuclear Engineering, U.C. Berkeley, May 14, 2010.

[10] Qiuping Lv, Minghui Chen, Xiaodong Sun, et al. Design of Fluidic Diode for a High-Temperature DRACS Test Facility[C]. Nuclear engineering, 2013.

Experimental Study on the Performance ofVortex Diode at Low Flow Rate Condition

WU Yan-hua，HE Zhao-zhong，CHEN Kun

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

The vortex diode is used as a flow control device in the passive decay heat removal system of fluoride salt cooled high-temperature reactor (FHR). To obtain the flow and pressure drop characteristics of the vortex diode in low flow, we carried out a detailed experimental study of a vortex diode fabricated from nylon by a 3D printer in a water loop. And the experimental results are analyzed to obtain the pressure drops of the vortex diode with FliBe at the same structure. The results are as follows: (1) The diodicity of the vortex diode increases with increasing Re in the experimental mass flow range. The maximum of the diodicity reaches 23. (2) With increasing Re, forward flow Euler number (Euf) decreases, reverse flow Euler number (Eur) first increased and then decreased. (3) The vortex diode studied in this paper is not fit for a passive decay heat removal system of the low power FHR.

FHR; Passive decay heat removal system; Vortex diode; Diodicity; FLiBe; Pressure drop

2015-12-10

中國科學院戰略性先導科技專項(No.XDA02050100)、上海市科研計劃項目(No.14ZR1448400)資助

吳燕華(1988—)，女，江西人，助理研究員，工學碩士，現主要從事核安全與核技術相關方面的研究方面的研究工作

TL426

A

0258-0918(2016)04-0606-05