球床反應堆內氣—液兩相流壓差波動信號時域特性研究

趙忠南

【摘 要】在新型球床反應堆中涉及到氣-液兩相流。對于球床反應堆內氣-液兩相流動特性研究而言，不同的流型具有不同的水動力學和傳熱特性，研究并識別球床反應堆氣-液兩相流流型對于球床反應堆的設計和運行是十分重要的。本文對兩相流壓差波動信號進行時域分析，其結果表明不同流型所對應的壓差波動信號具有不同的時域特征。在實際工況下可以對壓差波動信號進行時域分析，來指導球床反應堆內氣-液兩相流的流型識別。

【關鍵詞】兩相流；球床反應堆；時域特性；小波分析

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。

不同的流型具有不同的水動力學和傳熱特性，研究并識別球床反應堆內氣-液兩相流流型對于球床反應堆的設計和運行是十分重要的。

1 實驗系統及測量信號的選擇

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。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。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。實驗段內分別填充直徑為8mm的透明玻璃球形成微球固定球床床。

1.2 測量信號的選擇

反映流型變化的兩相流參數很多，如壓力、界面含氣率、壓差等。本文采用壓差信號作為測量參數，主要考慮到以下幾點：

（1）大量的研究證明，壓差信號的波動與流型的變化是密切相關的，壓差信號的波動可以提供流型識別的足夠信息[3，4]；

（2）壓差信號是兩相流實驗中最容易獲得的信號，采用環室取壓對流動沒有阻力，不影響流型的變化和觀測；

（3）壓差信號屬于快速響應信號，能夠及時反映流型的變化，可以對信號進行有效的頻譜分析。

1.3 取壓距離的確定

取壓距離對獲得的壓差信號特性影響較大，取壓距離過長對壓差信號有一定的平均作用，會喪失一定的高頻信息；取壓間距過短時，測得的壓差波動信號則不足以反映流型的變化。研究表明，反映流型變化的壓差波動信號為頻率低于50Hz的低頻信號[5]，結合以上兩點影響因素，本文確定的取壓間距ΔL為700mm，實驗段內徑dc為50mm，通過實驗觀測和后續的數據處理發現所選取的取壓間距是合適的。

2 采樣頻率及樣本數據長度的確定

采樣頻率是實際測量信號過程中必須要確定的重要參數。本文對球床反應堆氣-液兩相流壓差波動信號時域分析，分析表明，壓差波動信號的波動頻率集中在20Hz以下，因此時域和時域分析對采樣頻率要求不高。但采樣頻率不能太低，否則不能反映系統的變化細節，根據奈奎斯特定律，要將采樣信號中的信號復原，采樣頻率必須是信號最高頻率的2倍以上。在本實驗中，采用128Hz的采用頻率，實驗結果表明完全可以滿足實際要求。

實驗采集到的數據樣本必須能完整反映兩相流的流動狀態，數據長度不再會造成信息的丟失。本文水的折算速度最高為0.24m/s，氣相的折算速度最高為1.58m/s，在低流速的脈沖流情況下，壓力波的傳播要通過700mm的取壓間距很短，不到1s。基于以上幾個數值，必須設定足夠的數據長度來反映完整的流型信息。本實驗中采樣時間定為16s，數據長度為2048點，可以保證低流速情況下獲得完整的脈沖流信息。

3 壓差波動信號時域分析

本文共采集到氣-水兩相流對應的5種流型的壓差波動信號共計500組。其中泡狀流80組和串狀流為84組、液柱脈沖流為100組、乳沫脈沖流為210組、環狀脈沖流為36組。圖2給出的是各流型的壓差波動信號的時域特征。

3.1 泡狀流

在泡狀流中，氣泡穿梭于球床反應堆孔隙內，氣泡在實驗管段內軸向分布均勻。氣泡在運動過程中不斷與球床反應堆骨架相互碰撞、擠壓、變形，并伴隨著氣泡的破裂和再生。由于存在大量的氣泡經歷這一過程，必然對實驗段的壓差產生波動。這種流型在氣相流量較小時出現，因此小氣泡的能量很小，所導致的壓差波動也很小。泡狀流動時壓差波動很小，沒有明顯的周期性。

3.2 串狀流

隨著含氣率的增加，原本分散的小氣泡開始聚合。受球床反應堆特殊的幾何結構影響，不可能形成大的氣彈，氣泡開始沿著孔隙的延伸方向聚合成長度不等的氣串，氣串的長度從一厘米到幾厘米不等，氣串的長度與表面張力有直接關系。氣串在運動過程中與球床反應堆骨架碰撞，同樣會發生碰撞、擠壓、變形、并伴有斷裂。由于含氣率較泡狀流要大，氣串的能量要大于氣泡，因此對實驗段壓差波動的影響也要強于泡狀流，同時，壓差波動信號表現出周期性，周期從0.2s到2s不等，波動幅度很小。

3.3 液柱脈沖流

液柱脈沖流在實驗范圍內是分布很廣泛的一種流型，這種流型是在串狀流的基礎上進一步增加含氣率的基礎上產生的。液柱脈沖流的典型特點是整個實驗段內分為明顯的液柱段和氣-液混合段。二者交替通過測壓點，由于液柱段的存在，這種流型的結構簡單，對壓差波動的影響明顯，壓差波動信號具有明顯的周期性，波動周期大約為2/3s，波峰波谷明顯。

3.4 乳沫脈沖流

隨著截面含氣率的進一步增加，液柱脈沖流中液柱的長度逐漸變短，氣-液混合段逐漸加長。最終，在氣相的作用下液柱被沖開，使整個實驗段軸向上完全處于氣-液混合狀態。由于軸向上含氣率分布不均勻，導致此時流動依然以脈沖的形式存在。這種流動狀態反應到實驗段上就是壓差的波動。與液柱脈沖流明顯的區別是乳沫脈沖流中由于原來的液柱段中夾雜著氣泡，在這種情況下，壓差波動信號的波峰和波谷就會變平，也就是在波峰、波谷處不再有單一的峰值，波動周期由2/3s變為約2s，這一現象是由流型的轉變產生的。

3.5 環狀脈沖流

環狀脈沖流是一種充分發展的流型，本次實驗中共觀測到36組環狀脈沖流。與常規管道中的環狀流相似，隨著氣相流量的大幅增加，除填充球表面和實驗段壁面粘附著液相外，其余空間被氣相攜帶大量液滴所占據。然而不同于常規管道，球床反應堆骨架的存在阻擋了氣-液混合相的順利通過，液相會在實驗段的某處堆積然后在被氣相吹散、攜帶，這就導致壓差波動信號出現平穩的過渡段和波峰段。平穩段對應氣流順利通過球床反應堆骨架，而波峰段則對應于液相的堆積導致流動不暢。此時，壓差波動信號的波動周期很不穩定，隨著氣相流量的增加而增加，周期從2s到6s不等。

4 結論

4.1 不同流型的壓差波動信號的時域特征在幅值、周期等波動特性方面差別很大。

4.2 針對各種流型所形成的不同壓差波動特性，從球床反應堆的特殊結構方面進行了定性的分析。

4.3 通過對壓差波動信號進行時域處理所得到的實驗結果分析，壓差波動信號的時域分析可以用于指導球床反應堆內氣-液兩相流的流型識別。

【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[J].

[3]Wu H J， Zhou F D. Intelligent identification system of flow regime of oil-gas-water multiphase flow[J]. Ind J Multiphase Flow，2001，27（2）：459-475P.

[4]Jin N D， Nie X B， Ren Y Y et al. Characterization of oil-water two-phase flow patterns based on nonlinear time series analysis[J]. Flow Measurement and Instrumentation，2003，14：169-175P.

[5]Lao L Y， Zhang H J， Li H Q. The relationships between the WVD characteristics of pressure drop and gas-liquid two-phase flow patterns in horizontal pipeline[Z]. ISMTMF98， Beijing， 181-186P.

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