大型先進(jìn)壓水堆非能動(dòng)冷卻水箱關(guān)鍵熱工水力特性研究綜述

陸道綱，張鈺浩,*，李向賓，周世梁，曹 瓊，隋丹婷，王 漢

(1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

第3代大型先進(jìn)壓水堆 AP1000、CAP1400、華龍一號等普遍設(shè)置非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)(PRHRS)，采用大容積高位水箱作為吸收余熱的重要部件[1]。大容積水箱內(nèi)設(shè)置非能動(dòng)余熱排出熱交換器(PRHR HX)，能在事故工況下非能動(dòng)地將反應(yīng)堆堆芯或安全殼內(nèi)熱量排出；部分堆型設(shè)置自動(dòng)降壓系統(tǒng)(ADS)，通過高溫高壓蒸汽噴放冷凝，實(shí)現(xiàn)一回路快速降溫、降壓。在這一余熱排出過程中，PRHR HX傳熱系數(shù)及ADS異形、多孔蒸汽噴放直接接觸式冷凝速率直接決定余熱排出效果。內(nèi)置換料水箱(IRWST)在運(yùn)行過程中呈現(xiàn)出復(fù)雜的氣液兩相熱工水力現(xiàn)象，其關(guān)鍵科學(xué)問題主要包括：PRHR HX傳熱管壁面接觸式單相、兩相傳熱特性，以及ADS高溫高壓蒸汽噴放直接接觸式冷凝傳熱、傳質(zhì)特性。

IRWST內(nèi)的PRHR HX傳熱管壁面接觸式單相、兩相傳熱過程具有以下關(guān)鍵特點(diǎn)：1) PRHR HX為特殊C型結(jié)構(gòu)，包括豎直段和上部、下部水平段，單相自然對流傳熱、過冷沸騰傳熱、池式沸騰傳熱等不同傳熱形式在不同管束區(qū)域可能同時(shí)存在并且互相影響，因此，不同管束區(qū)域、不同傳熱條件下管束傳熱特性，直接決定PRHR HX在不同運(yùn)行工況下的傳熱能力，是該研究的關(guān)鍵科學(xué)問題之一；2) PRHR HX位于IRWST大空間的側(cè)方區(qū)域，僅依靠自然循環(huán)非能動(dòng)地排出堆芯余熱，在大容積水箱內(nèi)易形成明顯的熱分層現(xiàn)象，直接決定水箱內(nèi)冷卻水的有效利用率，也會(huì)影響PRHR HX不同管束區(qū)域的傳熱效果，是工程運(yùn)行中需重點(diǎn)關(guān)注的現(xiàn)象，也具有重要的科學(xué)研究價(jià)值；3) 現(xiàn)有事故安全分析計(jì)算程序中，缺少針對PRHR HX特殊換熱部件的專用傳熱理論及相適應(yīng)的計(jì)算模型，大多采用經(jīng)典傳熱關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算分析，但對于此類新型特殊部件的傳熱特性、設(shè)計(jì)安全裕度等尚未十分清楚，需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

ADS 1～3級高溫高壓蒸汽在IRWST內(nèi)的噴放直接接觸式冷凝傳熱、傳質(zhì)過程具有以下特點(diǎn)：1) 噴灑器采用4組斜30°向下的多孔排列噴灑臂，多孔高溫高壓蒸汽噴放直接接觸式冷凝工況下的蒸汽冷凝流型、噴放特征參數(shù)、冷凝傳熱系數(shù)等變化機(jī)理仍不明確，是重要科學(xué)問題之一；2) 噴灑器置于IRWST的一側(cè)區(qū)域，局部區(qū)域冷凝引起的異形冷卻水箱內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)特性與變化規(guī)律仍不十分明確，并且特定條件下的熱分層現(xiàn)象也會(huì)影響噴灑器附近的冷卻水溫度，進(jìn)而影響蒸汽冷凝特性；3) 現(xiàn)有蒸汽噴放冷凝模型多基于單孔蒸汽噴放實(shí)驗(yàn)獲得，而在實(shí)際工程應(yīng)用中，尤其是AP1000/CAP1400 ADS噴灑器中，大多采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔噴灑器。因此，多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)下蒸汽噴放冷凝傳熱傳質(zhì)模型開發(fā)與評估具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，也是重要的科學(xué)問題。

可見，大型先進(jìn)壓水堆非能動(dòng)冷卻技術(shù)的發(fā)展，對于此類新型特殊部件——PRHR HX和ADS傳熱理論的建立與發(fā)展，提出了重大需求。近年來隨著非能動(dòng)安全系統(tǒng)工程需求和相關(guān)研究的興起，國內(nèi)外開展了一些針對非能動(dòng)冷卻水箱及其內(nèi)置關(guān)鍵部件熱工水力特性的相關(guān)研究，闡明其傳熱、傳質(zhì)機(jī)理，開發(fā)適用于第3代先進(jìn)壓水堆大容積水箱及其內(nèi)置特殊設(shè)備的傳熱計(jì)算公式與理論模型，豐富了第3代先進(jìn)壓水堆大容積水箱的設(shè)計(jì)理論，也解決了實(shí)際工程問題，本文對相關(guān)研究綜述分析。

1 PRHR HX傳熱研究

1.1 整體效應(yīng)工程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

國外針對AP600/1000非能動(dòng)安全系統(tǒng)，進(jìn)行了大型整體效應(yīng)、分離效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，如APEX-600/1000、SPES-2、ROSA等，以滿足美國核管理委員會(huì)(NRC)的審查要求。APEX-600/1000整體效應(yīng)縮比實(shí)驗(yàn)研究[2]模擬AP600設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)不同位置、不同破口尺寸的小破口失水事故(LOCA)下低壓和長期冷卻階段非能動(dòng)安全系統(tǒng)的熱工水力特性及響應(yīng)。其中，IRWST采用簡化的橢圓形水箱進(jìn)行模擬，采用88根C型傳熱管模擬PRHR HX運(yùn)行特性。SPES-2非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺架[3]為全壓、等高度整體效應(yīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置PRHRS模擬事故工況下反應(yīng)堆一回路響應(yīng)。ROSA[4-5]為全高度、全壓力整體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺架，包括兩條實(shí)驗(yàn)回路，可模擬非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的堆芯補(bǔ)水箱、安注箱、IRWST、PRHR HX以及ADS等設(shè)備的事故響應(yīng)過程及傳熱特性。我國為完成CAP1400非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)并建造了大型整體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺架進(jìn)行先進(jìn)堆芯冷卻機(jī)理實(shí)驗(yàn)(ACME)[6]，高度縮比比例為1/3，設(shè)計(jì)壓力為9.2 MPa，臺架系統(tǒng)包括反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)主回路、非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)(PXS)及其原型布置，能較好模擬反應(yīng)堆主系統(tǒng)關(guān)鍵熱工特性參數(shù)。此外，在先進(jìn)沸水堆ABWR、ESBWR、SWR及先進(jìn)重水堆AHWR設(shè)計(jì)中同樣引入了余熱排出大容積水池，在非能動(dòng)余熱排出方面具有重要作用，針對其傳熱特性也進(jìn)行了相關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)研究，包括普渡大學(xué)PUMA實(shí)驗(yàn)臺架[7]、瑞士PSI建設(shè)的PANDA實(shí)驗(yàn)臺架[8]等，用于相關(guān)非能動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

以上整體效應(yīng)大型實(shí)驗(yàn)臺架能模擬反應(yīng)堆運(yùn)行過程中可能發(fā)生的主要事故序列和關(guān)鍵現(xiàn)象，重點(diǎn)關(guān)注反應(yīng)堆系統(tǒng)在事故工況下的整體響應(yīng)，但PRHR HX的換熱過程僅作為事故序列的一部分，對其換熱機(jī)理、關(guān)鍵局部現(xiàn)象的研究需要分離效應(yīng)或機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行補(bǔ)充。

1.2 分離效應(yīng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)

對于PRHR HX特殊C型管束在IRWST內(nèi)的壁面接觸式傳熱現(xiàn)象，影響因素多，傳熱機(jī)理較為復(fù)雜。西屋公司開展了PRHR HX分離效應(yīng)全壓、等高度實(shí)驗(yàn)[1]，采用3根豎直管模擬PRHR HX，采用等高度橢圓形水箱并設(shè)置導(dǎo)流板模擬二次側(cè)自然循環(huán)冷卻IRWST。但西屋公司三直管實(shí)驗(yàn)中采用直管代替原型中PRHR HX的C型管束，而忽略了水平管段的換熱；在AP1000中，主要通過增加水平段的長度和換熱管根數(shù)使PRHR HX的換熱面積提高了22%，因此水平段及管束效應(yīng)對換熱的影響較大，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)予以考慮。Chun和Kang[9]開展了PRHR HX傳熱管縮比實(shí)驗(yàn)，研究不同換熱管管徑、不同表面粗糙度、不同傳熱管方向(水平或豎直)等因素對換熱管換熱性能的影響。Chung等[10]通過7根中心對稱的加熱豎直管束模擬PRHR HX，研究傳熱管管束效應(yīng)、水箱內(nèi)溫度分布、傳熱系數(shù)等影響因素，評價(jià)PRHR HX管束二次側(cè)在自然對流情況下的經(jīng)典傳熱關(guān)系式的適用性。

門啟明[11]、周響等[12]設(shè)計(jì)了C型單管實(shí)驗(yàn)對PRHR HX C型單管一、二次側(cè)傳熱行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對比。李勇等[13]對PRHR HX運(yùn)行初始階段換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析單相自然對流和核態(tài)沸騰在PRHR HX二次側(cè)傳熱過程中的作用。另外，閻昌琪等[14-16]針對PRHR HX的特點(diǎn)，對不同管型(如光管、針翅管、繞絲針翅管等)、不同傳熱狀態(tài)(如自然對流、過冷沸騰、池式沸騰等)進(jìn)行了較為深入的機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為現(xiàn)有PRHR HX的傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。但加熱管或棒束機(jī)理實(shí)驗(yàn)多基于單獨(dú)的水平、豎直管或棒束實(shí)驗(yàn)得到，獲得的半經(jīng)驗(yàn)公式受實(shí)驗(yàn)初始條件、縮比參數(shù)、試驗(yàn)工況等因素影響較大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對于AP1000/CAP1400特殊形狀C型傳熱管束傳熱過程的適用性有待進(jìn)一步研究。

與西屋公司細(xì)長空間內(nèi)的傳統(tǒng)PRHR三管束直管實(shí)驗(yàn)不同，Lu、Zhang等[17-20]采用多管束、與原型形式一致的C型換熱器，更加真實(shí)地反映了PRHR HX在大空間內(nèi)的傳熱特征。研究PRHR HX二次側(cè)自然對流、池式沸騰階段的熱工水力學(xué)特性，包括PRHR HX管壁面接觸式傳熱方式下，PRHR HX壁面熱流密度、管束形狀、初始水溫等因素對傳熱效果的影響；對C型管束不同傳熱區(qū)域(水平、豎直管束)、不同傳熱階段(單相、兩相)的傳熱效果進(jìn)行評價(jià)，并獲取各運(yùn)行工況下對應(yīng)區(qū)域的傳熱系數(shù)(圖1)，對現(xiàn)有經(jīng)典加熱管式傳熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，考慮修正瑞利數(shù)、局部氣泡聯(lián)結(jié)、擾動(dòng)、湍流影響、附加流速等綜合因素的影響，修正原有經(jīng)典傳熱關(guān)聯(lián)式，精確反映C型熱交換器的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)而開發(fā)一套針對大型先進(jìn)壓水堆特殊設(shè)計(jì)新型換熱器的傳熱設(shè)計(jì)理論[21]。

PRHR HX縮比模型池式沸騰兩相傳熱階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于豎直管束，氣泡在管束流道內(nèi)聯(lián)結(jié)、浮升的過程中攪混作用明顯，且下部水平管束產(chǎn)生的部分流體、氣泡在浮升過程中起到附加擾動(dòng)作用，增強(qiáng)了豎直管束的平均傳熱系數(shù)，需同時(shí)考慮表面熱流密度q″、傳熱管高度H及直徑D的影響，推薦修正沸騰換熱系數(shù)hb的計(jì)算關(guān)聯(lián)式hb=0.02(q″)1.18(H/D)0.43；對于水平管束，下部水平管束為典型池式沸騰工況，Rohsenow經(jīng)典池式沸騰傳熱公式能較好地預(yù)測該管束平均傳熱系數(shù)，但上部水平管束由于受到流體浮升、氣泡擾動(dòng)的附加影響，傳熱系數(shù)明顯高于下部水平管束，推薦采用流動(dòng)沸騰疊加模型中Chen經(jīng)典傳熱關(guān)聯(lián)式[24]形式h=Shnpb+Fhl，式中hnpb、hl分別為核態(tài)沸騰及局部自然對流換熱系數(shù)，可近似采用下部水平管束池式沸騰、自然對流換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系數(shù)S反映強(qiáng)制對流流動(dòng)對核態(tài)沸騰的抑制程度，F(xiàn)反映核態(tài)沸騰對強(qiáng)制對流流動(dòng)的加強(qiáng)程度，均基于PRHR HX機(jī)理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到對應(yīng)系數(shù)與影響因素的函數(shù)關(guān)系[25]。

a——PRHR HX管束不同位置的平均傳熱系數(shù)；b——不同熱流密度下PRHR HX瞬態(tài)溫度與傳熱系數(shù)圖1 PRHR HX關(guān)鍵傳熱特性部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Key experimental results on heat transfer characteristic of PRHR HX

基于上述PRHR HX換熱特性研究，獲得了PRHR HX在各種工況下的傳熱特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了PRHR HX特殊C型管束的傳熱特性與機(jī)理，開發(fā)了適用于特殊的C型PRHR HX傳熱管束的傳熱模型和相關(guān)傳熱理論[26]，為我國自主研發(fā)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的華龍一號、CAP1400非能動(dòng)C型熱交換器換熱能力的校核計(jì)算提供了重要參考。

2 ADS高溫高壓蒸汽噴放直接接觸式冷凝研究

國內(nèi)外針對多孔蒸汽噴放冷凝現(xiàn)象開展的相關(guān)研究主要包括工程實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究兩個(gè)方面。其中，工程實(shí)驗(yàn)主要用于驗(yàn)證蒸汽噴放系統(tǒng)或部件的冷卻能力或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足設(shè)計(jì)要求；而機(jī)理研究則主要開展蒸汽噴放直接接觸式冷凝(DCC)行為及特性研究。

2.1 ADS高溫高壓蒸汽噴放工程實(shí)驗(yàn)

工程實(shí)驗(yàn)方面，對于高溫高壓蒸汽通過ADS 1～3級噴灑器在IRWST內(nèi)的直接接觸式冷凝傳熱研究，美國西屋公司分別在APEX-600/1000臺架和SPES-2臺架上進(jìn)行了整體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。APEX-600/1000主要關(guān)注LOCA后低壓下的長期冷卻階段RCS總體參數(shù)變化及響應(yīng)；SPES-2作為全高度實(shí)驗(yàn)，將壓力提高到了全壓，參數(shù)范圍較大。在以上整體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺架中，ADS的蒸汽噴放過程均作為事故進(jìn)程中的一部分，是泄壓工況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，驗(yàn)證了ADS蒸汽噴放在事故序列中的重要作用，但整體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對ADS噴放過程中的冷凝現(xiàn)象研究不夠深入。

美國西屋公司在意大利國家新技術(shù)能源與環(huán)境委員會(huì)(ENEA)Casaccia研究中心VAPORE裝置上開展了針對AP600的ADS 1～3級蒸汽噴放冷凝實(shí)驗(yàn)[1]。實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)階段：第1階段研究噴放條件下噴灑器及IRWST結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；第2階段用于ADS閥門、管道和噴灑器的熱工水力特性設(shè)計(jì)驗(yàn)證。韓國原子能研究院針對APR1400泄壓系統(tǒng)開展了相關(guān)蒸汽噴放射流工程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，Kim[27]研究了APR1400噴放過程中蒸汽冷凝、傳熱、壓力變化特性，以及泄壓水箱內(nèi)整體熱工參數(shù)變化；Cho等[28]模擬了蒸汽噴放流量、噴放時(shí)間、冷卻水箱過冷度等參數(shù)對冷凝水池壁面壓力振蕩頻率、振幅等參數(shù)的影響。Rassame等[29]基于先進(jìn)沸水堆PUMA工程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺架，研究LOCA工況下泄壓水池內(nèi)的整體熱工水力特性，驗(yàn)證了蒸汽噴放泄壓能力。吳廣皓等[30]基于IRWST及ADS縮比實(shí)驗(yàn)，獲取蒸汽噴放過程中冷卻水箱內(nèi)整體溫度、自然循環(huán)分布特性，評估AP1000 ADS整體噴放冷卻能力。

可見，現(xiàn)有工程實(shí)驗(yàn)主要用于驗(yàn)證蒸汽噴放冷凝系統(tǒng)、設(shè)備的設(shè)計(jì)是否滿足工程應(yīng)用要求，即冷卻能力是否能保證足夠的降壓速率，蒸汽吸收份額等參數(shù)是否在設(shè)計(jì)限值之內(nèi)等，而較少關(guān)注多孔蒸汽射流冷凝局部行為或微觀機(jī)理。

2.2 ADS高溫高壓蒸汽噴放機(jī)理實(shí)驗(yàn)

1) 單孔蒸汽噴放DCC基本流型劃分及冷凝微觀機(jī)理

高溫高壓蒸汽噴放冷凝流型是區(qū)分不同傳熱、壓力振蕩形式及主要特征的重要?jiǎng)澐忠罁?jù)。Simpson等[31]發(fā)現(xiàn)較低噴放質(zhì)量流密度條件下，蒸汽噴放汽液界面會(huì)出現(xiàn)周期性的汽泡生成、發(fā)展、分離過程，存在明顯的界面不穩(wěn)定性和特定的傳熱、壓力振蕩特性。Chan和Lee[32]、Liang等[33]基于單孔蒸汽噴放DCC實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蒸汽噴放冷凝過程中會(huì)出現(xiàn)不同的冷凝形式，并通過汽液界面形狀的變化特征對各流型進(jìn)行分類。另一方面，Aya等[34]基于蒸汽噴放DCC過程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括壓力波、振蕩頻率、設(shè)備動(dòng)壓載荷變化規(guī)律，對噴放冷凝流型進(jìn)行分類。Zhao等[35]結(jié)合DCC過程中汽液交界面變化特點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)特征，采用新的判定準(zhǔn)則對不同的流型特性進(jìn)行分類評估，但由于影響蒸汽冷凝的因素十分復(fù)雜，不同實(shí)驗(yàn)得到的流型邊界仍存在一定差異。

目前國際上普遍接受的典型蒸汽噴放DCC流型劃分方式包括轟振區(qū)(chugging, C)、轟振過渡區(qū)(transitional chugging, TC)、冷凝振蕩區(qū)(condensation oscillation, CO)、汽泡冷凝振蕩區(qū)(bubble condensation oscillation, BCO)、穩(wěn)定冷凝區(qū)(stable condensation, SC)、交界面振蕩冷凝區(qū)(interfacial oscillation condensation, IOC)以及不冷凝區(qū)(no apparent condensation, NC)，結(jié)合作者正在開展的雙孔蒸汽噴放實(shí)驗(yàn)得到的冷凝流型[36]，將關(guān)鍵參數(shù)范圍及對應(yīng)的部分典型流型對比示于圖2。

圖2 蒸汽射流DCC典型冷凝流型圖Fig.2 Typical condensation flow pattern of steam jet DCC process

蒸汽噴放DCC過程中的微觀機(jī)理決定了不同流型主要特點(diǎn)：C流型區(qū)域，蒸汽質(zhì)量流密度很低，蒸汽被迅速冷凝，冷卻水間歇地進(jìn)入噴孔內(nèi)部，形成強(qiáng)烈波動(dòng)的汽液交界面；隨著噴放質(zhì)量流密度的增加，冷卻水不再進(jìn)入噴孔內(nèi)部，但仍存在蒸汽間歇性噴出與湮滅，即TC流型；在CO區(qū)，蒸汽在噴孔附近形成不穩(wěn)定、不規(guī)則的波動(dòng)界面；當(dāng)噴放蒸汽質(zhì)量流密度足夠大，蒸汽噴放形成基本穩(wěn)定的汽液交界面，即SC流型。此外，在低過冷度條件下，CO區(qū)蒸汽柱離開噴孔區(qū)域后，無法得到充分冷凝，從而形成大的不規(guī)則汽泡，轉(zhuǎn)變?yōu)锽CO流型；而SC區(qū)的穩(wěn)定冷凝流型在高溫下也無法保持穩(wěn)定，形成IOC區(qū)；當(dāng)冷卻水池接近飽和溫度，噴放蒸汽幾乎無法被冷凝，即NC區(qū)。可見，不同流型條件下顯示出不同的微觀機(jī)理，其蒸汽噴放冷凝傳熱、壓力振蕩特性具有較為明顯的差異，基于各研究者實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用的不同流型圖劃分方式有一定區(qū)別，但流型仍是區(qū)分不同傳熱傳質(zhì)特性的重要依據(jù)。

2) 蒸汽噴放DCC傳熱特性及規(guī)律

目前針對單孔蒸汽噴放穩(wěn)定冷凝SC流型下的傳熱特性研究較為充分，一般地，根據(jù)噴放質(zhì)量流密度、冷卻溫度的不同，進(jìn)一步將穩(wěn)定冷凝過程細(xì)分為圓錐型、橢圓型、發(fā)散型；Wu等[37]通對噴嘴的特殊處理，將超聲速蒸汽在過冷水中的凝結(jié)現(xiàn)象及流型分成6種：圓錐型、橢圓型、發(fā)散型、圓錐延伸型、橢圓延伸型、發(fā)散壓縮型。穩(wěn)定冷凝流型下，蒸汽噴放冷凝過程中可形成穩(wěn)定的汽液交界面，關(guān)鍵特征參數(shù)包括蒸汽穿透長度L(或無量綱穿透長度l/de)、蒸汽膨脹率δ、冷凝換熱系數(shù)h等；雙孔噴放在特定條件下具有類似的特征參數(shù)。圖3a[38]為典型單孔噴放特征參數(shù)，圖3b為本文作者正在開展的雙孔蒸汽噴放實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定冷凝流型及特征參數(shù)。

無量綱蒸汽噴放長度定義為蒸汽核心區(qū)內(nèi)蒸汽噴放最大長度(l)和噴嘴內(nèi)直徑(de)的比值。Kerney等[39]基于單孔蒸汽噴放實(shí)驗(yàn)，首先提出了單孔蒸汽噴放無量綱長度的半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式；Weimer等[40]、Chun等[41]進(jìn)一步拓展了Kerney關(guān)聯(lián)式的適用范圍，并基于不同類型流體實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了修正無量綱長度關(guān)聯(lián)式。如圖4所示，Kim等[42]將蒸汽噴放無量綱長度實(shí)驗(yàn)與擬合結(jié)果及相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，蒸汽噴放穿透長度隨冷卻水溫的升高而增大，隨噴放質(zhì)量流密度的增大而增大。

a——單孔噴放穩(wěn)定冷凝流型(圓錐形)；b——雙孔噴放流型圖3 蒸汽噴放DCC穩(wěn)定冷凝流型特征參數(shù)Fig.3 Characteristic parameter of steady condensation flow pattern for steam ejection DCC process

圖4 蒸汽噴放無量綱穿透長度變化對比Fig.4 Comparison of dimensionless steam jet lengths

蒸汽噴放冷凝汽羽溫度分布與蒸汽冷凝流型、蒸汽噴放質(zhì)量流密度G、冷卻溫度等影響因素密切相關(guān)。如圖5所示，Kim等[43]基于實(shí)驗(yàn)研究不同冷凝條件下蒸汽汽羽區(qū)域內(nèi)溫度分布特性與規(guī)律，Song等[38]在總結(jié)上述研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷凝流型為圓錐型時(shí)，汽羽區(qū)域內(nèi)的流體溫度隨軸向距離的增大而降低，但當(dāng)流型為橢圓型時(shí)，溫度變化較為復(fù)雜：軸向溫度先減小后增大，在汽羽擴(kuò)展至最大膨脹率位置處出現(xiàn)溫度峰值，然后隨著軸向距離的增加，汽羽溫度再次逐漸降低至與冷卻流體接近的溫度，此外，各種流型下，過冷水溫度越低，汽液混合區(qū)溫度變化越快。

3) 蒸汽噴放冷凝換熱系數(shù)

Chun等[41]建立汽液間冷凝平衡微分方程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到蒸汽噴放穩(wěn)定冷凝換熱系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，定量證明了蒸汽DCC過程具有非常高的換熱能力；Kim等[43]基于湍流強(qiáng)度界面輸運(yùn)模型、界面更新模型和剪切應(yīng)力模型，描述單孔蒸汽噴放冷凝特性；韓國原子能研究院Kim[27]、Song等[38]基于APR1400蒸汽泄壓系統(tǒng)開展了蒸汽噴放冷凝研究，評價(jià)不同外部邊界條件(質(zhì)量流密度、冷卻水溫度等)對冷凝換熱系數(shù)的影響，并推薦了相關(guān)單孔噴放冷凝參數(shù)計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。Chong等[44]、Wu等[45]研究了單孔蒸汽音速、超音速噴放條件下，蒸汽汽羽在不同膨脹率(1.04～2.2)、不同無量綱穿透長度(2.86～14.6)范圍內(nèi)的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，計(jì)算對應(yīng)冷凝換熱系數(shù)范圍。

針對蒸汽噴放不穩(wěn)定冷凝傳熱研究較少，Simpson等[31]分別考慮不穩(wěn)定冷凝過程中汽泡生成與分離瞬態(tài)過程，計(jì)算不穩(wěn)定冷凝條件下的平均換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)汽泡微觀傳熱、波動(dòng)行為直接影響傳熱與壓力振蕩特性，即二者存在機(jī)理上的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和強(qiáng)耦合特性；Fukuda等[46]開展單孔蒸汽噴放實(shí)驗(yàn)，觀察到明顯的蒸汽噴射與瞬時(shí)冷凝湮滅現(xiàn)象，推薦不穩(wěn)定冷凝條件下?lián)Q熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；Li等[47]基于POOLEX實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了C流型區(qū)域內(nèi)的有效熱源和有效動(dòng)量源模型，考慮汽泡間歇性冷凝過程中的積分效應(yīng)；Zhang等[48]基于蒸汽冷凝能量守恒建立集總參數(shù)模型，評估ADS低質(zhì)量流密度條件下多孔、異形噴灑器蒸汽噴放冷凝換熱系數(shù)范圍。表1列出主要蒸汽噴放DCC研究獲得的換熱關(guān)聯(lián)式及對應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)范圍。

a——圓錐型流型條件；b——橢圓型流型條件圖5 蒸汽冷凝汽羽區(qū)域內(nèi)軸向溫度分布[38]Fig.5 Axial temperature profile in steam cavity[38]

作者關(guān)鍵參數(shù)范圍經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式換熱系數(shù)/(MW·m-2·K-1)Kerney等[39]穩(wěn)定冷凝,Tw=301～358 K,G0=332～2 050 kg/(m2·s)l/de=0.258 8B-1(G/Gm)0.5Weimer[40]穩(wěn)定冷凝,Tw=297～356 K,G0=332～2 050 kg/(m2·s)l/de=10.29B-0.801(G/Gm)0.713/(ρx/ρs)0.384Chun等[41]穩(wěn)定冷凝,Tw=289～360 K,G0=200～1 500 kg/(m2·s)h=1.358 3cpGmB0.040 5(G0/Gm)0.371 41.0～3.5Kim等[43]穩(wěn)定冷凝,Tw=308～353 K,G0=250～1 188 kg/(m2·s)h=1.445 3cpGmB0.035 87(G/Gm)0.133 151.24～2.05Wu等[45]穩(wěn)定冷凝,Tw=293～343 K,G0=298～723 kg/(m2·s)h=0.150 3(kfcpνfρg14-2η)0.5G0.75eG0.25mB0.3(paps)0.10.63～3.44Simpson等[31]不穩(wěn)定冷凝,Tw=298～338 K,G0=147.2～333 kg/(m2·s)h=hbtb+hntntb+tn0.15～1.16Fukuda等[46]不穩(wěn)定冷凝,Tw=283～363 K,G0=25～100 kg/(m2·s)h=43.78λlde(dGρlνl)0.9cplΔTL0.1～1Zhang等[48]不穩(wěn)定冷凝,多孔,Tw=321～358 KG0=32.2～96.5 kg/(m2·s)h=Wg(Hs-Hf)Ac(Ts-Tf)0.08～2.9

a——多孔蒸汽噴放流型；b——噴灑器區(qū)域瞬態(tài)水溫變化圖6 ADS 1～3級多孔噴灑器噴放冷凝熱工結(jié)果[48]Fig.6 Results of thermal parameters in ADS 1-3 multi-hole sparger[48]

2.3 多孔蒸汽噴放冷凝

在上述研究基礎(chǔ)上，Li等[49]針對大容積蒸汽噴放冷凝開展了比例分析理論研究，張鈺浩[25]、吳廣皓等[30]針對IRWST內(nèi)關(guān)鍵部件ADS噴灑器復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多孔噴放形式下的高溫高壓蒸汽直接接觸式冷凝現(xiàn)象開展IRWST&ADS分離效應(yīng)縮比實(shí)驗(yàn)研究，獲得了IRWST內(nèi)冷卻流型、溫度場、速度場分布特性以及ADS蒸汽噴放條件下的蒸汽冷凝傳熱特性，對不同噴放階段的流型、流速、空泡份額等關(guān)鍵熱工參數(shù)進(jìn)行了可視化測量與定量分析(圖6)。由于蒸汽噴放冷凝過程中的傳熱系數(shù)受到噴放流量、噴放流型、蒸汽-水接觸面積等多種因素影響，針對ADS 1～3級原型縮比噴灑器復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多噴孔情況下的噴放冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算，在噴孔處建立簡化的“集總蒸汽冷凝模型”[48]，基于熱平衡方程h=Wg(Hs-Hf)/Ac(Ts-Tf)，實(shí)現(xiàn)了異形、多孔復(fù)雜噴放條件下集總換熱系數(shù)計(jì)算，評估多孔蒸汽噴放傳熱系數(shù)范圍為0.08～2.9 MW/(m2·K)，與對應(yīng)的單孔蒸汽噴放冷凝研究[41-42]得到的換熱系數(shù)接近。對AP1000/CAP1400原型噴放工況下IRWST在ADS噴放過程中的冷凝能力提供了重要參考，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論及展望

本文對大型先進(jìn)壓水堆冷卻水箱及其內(nèi)置的關(guān)鍵部件——PRHR HX、ADS噴灑器的熱工水力特性研究進(jìn)行綜述，主要結(jié)論如下：

1) 對于PRHR HX傳熱管壁面接觸式傳熱，分析其特殊C型管束在單相自然對流、兩相沸騰條件下的研究現(xiàn)狀，評估現(xiàn)有經(jīng)典傳熱模型以及改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的適用性；

2) 對于ADS 1～3級高溫高壓蒸汽在IRWST內(nèi)的噴放直接接觸式冷凝傳熱、傳質(zhì)過程，綜合分析其噴放冷凝流型、冷凝特征參數(shù)、冷凝換熱系數(shù)等，明確其傳熱、傳質(zhì)機(jī)理，并對異形、多孔復(fù)雜噴放條件下蒸汽噴放傳熱特性進(jìn)行評價(jià)。

基于現(xiàn)有研究分析，大型先進(jìn)壓水堆非能動(dòng)冷卻水箱內(nèi)關(guān)鍵熱工水力特性進(jìn)一步研究方向或科學(xué)/工程命題可包括PRHR HX自然循環(huán)條件下一、二次側(cè)耦合傳熱特性，PRHR HX強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究及工程應(yīng)用，多孔高溫高壓蒸汽噴放冷凝微觀機(jī)理研究與模型開發(fā)，高溫高壓蒸汽噴放冷凝過程中的壓力振蕩與傳熱特性耦合機(jī)制研究，IRWST內(nèi)置關(guān)鍵部件專用傳熱、傳質(zhì)模型開發(fā)與評估等，通過開展上述研究，將進(jìn)一步豐富第3代先進(jìn)壓水堆大容積水箱的設(shè)計(jì)理論，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究意義。