搖擺條件下微液層厚度與質(zhì)量流量關(guān)系?

宋 建 袁江濤 廉海波

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266199）

1 引言

運(yùn)動(dòng)條件對(duì)堆芯各流道的CHF產(chǎn)生影響，不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)堆芯流道CHF又不相同，同時(shí)，若考慮多樣式運(yùn)動(dòng)條件與CHF計(jì)算主要依托經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的現(xiàn)狀，因此，給出完備、準(zhǔn)確的數(shù)理模型存在困難。高璞珍［1］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于自然循環(huán)的流量相對(duì)強(qiáng)迫循環(huán)明顯降低，因此，在其開(kāi)展的幾乎所有自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)中（包括搖擺和不搖擺情形），所測(cè)得的流量值均出現(xiàn)所謂的“隨機(jī)流量波動(dòng)現(xiàn)象”，并隨著出口流體物性值的增加而增加。但這種隨機(jī)波動(dòng)現(xiàn)象在相應(yīng)的強(qiáng)迫循環(huán)中卻并未出現(xiàn)。對(duì)于未發(fā)生流量劇烈波動(dòng)就出現(xiàn)臨界的情形，自然循環(huán)和強(qiáng)迫循環(huán)沒(méi)有顯著差異。低流量達(dá)臨界時(shí)，實(shí)驗(yàn)段上部均可見(jiàn)明顯含汽兩相流動(dòng)，個(gè)別實(shí)驗(yàn)臨界工況時(shí)，甚至出現(xiàn)離散的環(huán)狀流。對(duì)于接近CHF前流量波動(dòng)劇烈的自然循環(huán)工況，由于CHF重復(fù)性較差，故不適合于擬合公式，進(jìn)而造成目前尚未有預(yù)測(cè)大的流動(dòng)波動(dòng)發(fā)生的滿(mǎn)意方式。本文將基于傳統(tǒng)的無(wú)搖擺穩(wěn)態(tài)CHF的計(jì)算公式對(duì)運(yùn)動(dòng)條件工況進(jìn)行修正，進(jìn)而得到對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下的微液層與堆芯通道質(zhì)量流量的關(guān)系。

2 微液層蒸干機(jī)理模型簡(jiǎn)介

微液層理論最早由 Cooper等［2～4］通過(guò)粘性邊界層理論提出，并提出了基于Pr、氣泡生長(zhǎng)時(shí)間和空泡份的初期厚度表達(dá)式。但該表達(dá)式由于沒(méi)有考慮表面張力的影響，故僅限于生長(zhǎng)時(shí)間較短的單氣泡 模型。 微 液層蒸 干機(jī)理模 型由 Ivey［5～6］和 Mudawar［7～8］對(duì) Kutateladze過(guò)冷沸騰臨界第一關(guān)系式改進(jìn)后提出，后經(jīng)西安交通大學(xué)蘇光輝、秋穗正等［9］再次改進(jìn)，并提出運(yùn)動(dòng)條件下微液層蒸干機(jī)理模型，適用于重力加速度和附加加速場(chǎng)的疊加場(chǎng)條件下分析運(yùn)動(dòng)條件對(duì)DNB型CHF的影響。

假設(shè)加熱壁面附近產(chǎn)生的小氣泡結(jié)合形成大汽塊，在汽塊下存在非常薄的液相層，稱(chēng)為微液層，如圖1所示。汽塊移動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)汽塊下的液相全部蒸干時(shí)，該點(diǎn)處的加熱壁面被單相蒸汽覆蓋從而導(dǎo)致傳熱惡化，進(jìn)而導(dǎo)致DNB型CHF發(fā)生，記為DNB-CHF，或 qDNB，并且存在如下關(guān)系［10］：

式中，δ為汽塊下微液層厚度，單位m；UB為汽塊移動(dòng)速度，單位m/s；LB為汽塊長(zhǎng)度，單位m，通常取Helmholtz臨界波長(zhǎng)。因此，根據(jù)式（1）可知，基于運(yùn)動(dòng)條件尾頁(yè)第模型求解DNB型臨界熱流密度CHF需要首先求解δ、UB和LB等三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，表達(dá)式為［11］

其中，汽塊長(zhǎng)度采用Helmholtz臨界波長(zhǎng)公式［12～13］：

3 運(yùn)動(dòng)微液層厚度與質(zhì)量流量的關(guān)系

本文研究對(duì)象——小型一體化自然循環(huán)壓水堆堆芯控制體截面劃分示意及具體編號(hào)如圖1所示。以44組、閉式組件堆芯燃料組件，總加熱功率10MW。

圖1 堆芯流道劃分橫截面劃分示意

考慮到搖擺條件下，流量波動(dòng)最大的通道為周向外側(cè)通道，故圖2～圖4以周向外側(cè)單通道（CH44）為對(duì)象，給出了運(yùn)動(dòng)條件下維持系統(tǒng)壓力5MPa、含汽率分別為0～0.15范圍內(nèi)的微液層厚度、冷卻劑質(zhì)量流量與DNBR-CHF的關(guān)系。

圖2 微液層厚度、質(zhì)量流量隨時(shí)間變化關(guān)系

圖3 基于微液層理論的臨界熱流密度、質(zhì)量流量隨時(shí)間變化關(guān)系

圖4 基于微液層理論的臨界熱流密度、質(zhì)量流量之間變化關(guān)系

由圖2～圖4計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論。

1）搖擺條件下，臨界熱流密度CHF隨著加熱通道內(nèi)質(zhì)量流量的增加而增大，二者幾乎同時(shí)變化，不存在明顯的時(shí)間滯后效應(yīng)，即在微液層理論中管壁蓄熱效應(yīng)幾乎可以忽略，不改變二者變化關(guān)系單調(diào)性，進(jìn)而可以認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)條件下的自然循環(huán)系統(tǒng)，若流量波動(dòng)較為劇烈的單通內(nèi)一旦發(fā)生局部失流，將會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)引發(fā)加熱元件燒毀，即超過(guò)最小臨界熱流密度比DNBR（Departure from nucleate boiling ratio）。

2）搖擺條件下，由微液層理論模型計(jì)算得到的微液層厚度隨著熱通道內(nèi)質(zhì)量流量的增加而增大，因?yàn)楹愣üβ氏拢舭l(fā)生加熱單通道內(nèi)冷卻劑流體質(zhì)量流量降低，對(duì)流換熱減弱，加熱壁面導(dǎo)熱增強(qiáng)并逐步占優(yōu)，熱邊界層和流動(dòng)邊界層內(nèi)部溫度顯著升高，極可能發(fā)生局部沸騰（包括過(guò)冷、飽和沸騰）、閃蒸（汽液界面處），即發(fā)生傳熱危機(jī)，直接導(dǎo)致熱邊界層、流動(dòng)邊界層厚度的變薄或消失，從而導(dǎo)致微液層厚度也將隨之減薄。

3）周期性搖擺直接造成各加熱通道內(nèi)冷卻劑質(zhì)量流量的周期性波動(dòng)，并進(jìn)一步加熱表面微液層和臨界熱流密度的周期性波動(dòng)，若忽略由壁面蓄熱效應(yīng)引起的無(wú)量綱傳熱系數(shù)Nu變化的遲滯效應(yīng)，可以認(rèn)為三者在變化上具備同步性、同向性。

4）基于運(yùn)動(dòng)微液層理論得到的臨界熱流密度CHF值較表格AECL-UOqCHF偏低，平均偏差11%以?xún)?nèi)，故應(yīng)用運(yùn)動(dòng)微液層理論開(kāi)展臨界熱流密度研究可以認(rèn)為具有合理、且可接受的保守型。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于微液層理論，對(duì)微液層厚度和堆芯通道質(zhì)量流量的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算研究，得到如下結(jié)論。

1）搖擺條件下，運(yùn)動(dòng)條件下的自然循環(huán)系統(tǒng)，若流量波動(dòng)較為劇烈的單通內(nèi)一旦發(fā)生局部失流，將會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)引發(fā)加熱元件燒毀，即超過(guò)最小臨界熱流密度比DNBR（Departure from Nucleate Boiling Ratio）。

2）搖擺條件下，由微液層理論模型計(jì)算得到的微液層厚度隨著熱通道內(nèi)質(zhì)量流量的增加而增大，誘發(fā)發(fā)生傳熱危機(jī)，直接導(dǎo)致熱邊界層、流動(dòng)邊界層厚度的變薄或消失，從而導(dǎo)致微液層厚度也將隨之減薄。

3）周期性搖擺直接造成各加熱通道內(nèi)冷卻劑質(zhì)量流量的周期性波動(dòng)，并進(jìn)一步加熱表面微液層和臨界熱流密度的周期性波動(dòng)，若忽略由壁面蓄熱效應(yīng)引起的無(wú)量綱傳熱系數(shù)Nu變化的遲滯效應(yīng)，可以認(rèn)為三者在變化上具備同步性、同向性。

4）基于運(yùn)動(dòng)微液層理論得到的臨界熱流密度CHF值較表格AECL-UOqCHF偏低，平均偏差10%以?xún)?nèi)，故應(yīng)用運(yùn)動(dòng)微液層理論開(kāi)展臨界熱流密度研究可以認(rèn)為具有合理且可接受的保守型。