矩形窄縫通道入口堵流的PIV實驗研究

姚維一，曲文海，熊進(jìn)標(biāo)，張滕飛，柴　翔，劉曉晶

矩形窄縫通道入口堵流的PIV實驗研究

姚維一，曲文海，熊進(jìn)標(biāo)*，張滕飛，柴翔，劉曉晶

（上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

板式燃料元件堆芯結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率高，但燃料板間窄縫通道易發(fā)生堵塞事故，造成局部傳熱欠佳。針對矩形窄縫通道入口堵流，利用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）開展常溫常壓不同雷諾數(shù)下（2 400～9 600）25%堵塞份額的流場測量實驗。分析堵塞體下游時均速度場、渦量場、脈動速度場，探討入口堵流對窄縫通道內(nèi)流場特性的影響和雷諾數(shù)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，入口堵流下游流場可分為主流區(qū)、剪切層、回流區(qū)、低速區(qū)、再附區(qū)、恢復(fù)區(qū)。與主流區(qū)相比，其他區(qū)域流速低，剪切流動在回流區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一對漩渦，再附區(qū)后流動逐漸趨向于穩(wěn)定，高湍流脈動速度與高雷諾剪切應(yīng)力主要分布于剪切層和漩渦中，流動雷諾數(shù)效應(yīng)顯著，隨著雷諾數(shù)增大，回流區(qū)、低速區(qū)高湍流強(qiáng)度區(qū)域面積增大，再附區(qū)、再發(fā)展區(qū)向下游移動。

矩形窄縫通道；入口堵塞；粒子成像測速；流場分布

板式燃料元件結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、燃耗深，廣泛應(yīng)用在一體化反應(yīng)堆和研究堆中[1-4]。然而，輻照腫脹或異物等容易引發(fā)矩形窄縫流道堵塞，通道內(nèi)冷卻劑流量降低甚至蒸干，導(dǎo)致傳熱惡化溫度升高，嚴(yán)重情況下燃料板熔毀，威脅反應(yīng)堆安全[5]。1965年美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）研究堆以及1975年比利時核研究中心（SCK·CEN）BR2研究堆曾發(fā)生堵流事故，異物堵塞于通道入口處分別導(dǎo)致多塊燃料板局部熔化[6,7]。因此，有必要對矩形窄縫通道入口堵流進(jìn)行研究。

多名國內(nèi)外學(xué)者[8-11]應(yīng)用系統(tǒng)程序研究95%或100%高堵塞份額的入口堵流事故，結(jié)果表明100%堵塞率下反應(yīng)堆換熱急劇惡化導(dǎo)致燃料板熔化。Fan等人[12]應(yīng)用計算流體動力學(xué)（CFD）方法模擬單通道入口90%堵塞份額的堵流事故，流道入口高速射流產(chǎn)生的強(qiáng)剪切流動在堵塞后方形成主副漩渦，發(fā)生局部傳熱惡化。Ma等人[13]對六個并聯(lián)矩形窄縫通道堵流事故進(jìn)行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)堵流通道內(nèi)阻力增大引起流道內(nèi)射流和逆流，最高溫度升高。Guo等人[14]對單通道入口30%～70%堵流事故進(jìn)行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)堵流份額64%時冷卻劑溫度達(dá)到飽和溫度。Sparrow和Cur[15]以空氣為工質(zhì)進(jìn)行了25%、50%單通道入口邊緣堵流實驗，研究傳熱傳質(zhì)特性，并利用油煙技術(shù)對流動進(jìn)行可視化，發(fā)現(xiàn)堵塞體后出現(xiàn)狹長的回流區(qū)，區(qū)域內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)很低。Stovall等人[16]對單通道入口堵流事故進(jìn)行了激光多普勒測速技術(shù)（LDV）實驗研究，在不同熱流密度、流量、堵塞位置和堵塞份額（邊緣堵塞10%、25%，中心堵塞35%、40%）下，測量了壁面溫度和流場，發(fā)現(xiàn)堵塞體下游出現(xiàn)低速區(qū)，導(dǎo)致局部傳熱惡化。

然而，矩形窄縫通道堵流事故系統(tǒng)分析和CFD模擬仍缺乏高質(zhì)量實驗數(shù)據(jù)加以驗證，其主要原因是矩形窄縫通道結(jié)構(gòu)緊湊，難以測量。而LDV單點(diǎn)測量難以獲得高空間分辨的全流場數(shù)據(jù)。鑒于此，本文針對25%入口邊緣堵塞的矩形窄縫通道流動開展PIV實驗，以獲取高質(zhì)量的全流場數(shù)據(jù)，并探討常溫常壓不同雷諾數(shù)下入口堵塞對流動特性的影響。

1　實驗裝置

圖1（a）所示為本文采用的流場測量實驗平臺，實驗段豎直布置。流經(jīng)實驗支路的流量通過實驗支路電動調(diào)節(jié)閥和旁通支路調(diào)節(jié)。在實驗支路設(shè)置了電磁流量計（量程0.02～2.5 m3/h，精度0.5級）。實驗段四面均為有機(jī)玻璃視窗以保證全流場可視化測量，通過不銹鋼框架固定保證通道尺寸。矩形窄縫通道截面寬邊長=70 mm，窄邊長=2 mm，通道長1 400 mm。定義通道長邊方向為方向，主流方向為方向，且堵塊上表面的流道左端（無堵塞端）為坐標(biāo)原點(diǎn)，以便于下文討論。如圖1（b）所示，25%堵塞份額的堵塞塊（占據(jù)長邊的25%，即/∈［0.75，1］）安裝于流道進(jìn)口邊緣處。

圖1　實驗回路、實驗段和坐標(biāo)系

本文實驗采用的PIV系統(tǒng)設(shè)備采用北京鐳寶Vlite-Hi-30 K高頻雙脈沖激光器（30 mJ@ 1 kHz）以及美國Phantom VEO-710L高速相機(jī)（全畫幅7 400 Hz @1 280×800 pixel）。通過DANTEC的同步器控制高頻激光和高速相機(jī)實現(xiàn)同步，PIV系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集分析基于DANTEC Dynamic Studio完成。實驗中PIV系統(tǒng)的布置如圖2所示。

圖2　PIV布置圖

正式實驗前，通過標(biāo)定實驗獲得圖2所示光路條件下的圖像放大倍數(shù)，并保證實現(xiàn)流道寬度全覆蓋測量。依據(jù)參考文獻(xiàn)［17-19］提供的誤差和不確定性分析方法，開展互相關(guān)算法、測量頻率、判讀區(qū)尺寸和脈沖延遲時間等PIV參數(shù)的敏感性分析，確定了最佳參數(shù)配置，使用自適應(yīng)PIV互相關(guān)算法，判讀區(qū)尺寸為16× 16。脈沖延遲時間根據(jù)四分之一經(jīng)驗準(zhǔn)則結(jié)合不同測量區(qū)域的實際流速進(jìn)行敏感性分析確定[20]。對瞬時速度場的測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲得平均速度場、渦量和湍流脈動速度等信息。

2　實驗結(jié)果

本文實驗中泵出口壓力為0.15 MPa，回路平均溫度為35 ℃。采用PIV對0＜＜200區(qū)域流場進(jìn)行測量，實驗的雷諾數(shù)分別為2 400、4 800、9 600。通過下式計算：

2.1　時均速度場

如圖3所示，以=9 600工況為例，入口堵流流動明顯分為六個區(qū)域：主流區(qū)、剪切層、回流區(qū)、低速區(qū)、再附區(qū)、再發(fā)展區(qū)。流道截面突擴(kuò)，左側(cè)出現(xiàn)高流速主流區(qū)，與堵塞體下游的低流速區(qū)之間存在高速度梯度，產(chǎn)生明顯的剪切層。剪切層內(nèi)的強(qiáng)剪切流動在堵塊后方產(chǎn)生回流。回流區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了一對明顯的漩渦，分別為一次回流區(qū)和二次回流區(qū)。剪切層在再附區(qū)接觸壁面，隨后進(jìn)入再發(fā)展區(qū)至流動充分發(fā)展。二次回流區(qū)與再附區(qū)之間存在一個流速極低的區(qū)域，中心區(qū)域流動近乎靜止。

圖3　堵塊下游時均流場速度矢量圖（Re=9 600）

圖4所示為=9 600工況下堵塞體下游歸一化軸向速度b分布。如圖4（a），發(fā)生堵塞后，剪切層內(nèi)出現(xiàn)高速度梯度，軸向速度沿+軸方向先迅速降低，后在二次回流區(qū)壁面附近回升，流動方向發(fā)生兩次改變。低速區(qū)內(nèi)，軸向速度近乎下降至0。圖4（b）給出了歸一化軸向速度隨下游距離增加的演變過程。y=3高度處，軸向速度在堵塞體邊緣=0.25附近沿+軸方向迅速下降，=0.2附近軸向速度方向與主流速度相反，出現(xiàn)回流。將強(qiáng)剪切流動速度梯度區(qū)域定義為剪切層，其后沿+軸方向直到壁面=1的區(qū)域定義為分離區(qū)。=12處為低速區(qū)端點(diǎn)，分離區(qū)內(nèi)軸向速度發(fā)生二次下降，產(chǎn)生速度峰。隨著下游高度的增大，速度峰不斷向-軸方向移動，速度谷值上升。=22處，分離區(qū)內(nèi)已無明顯速度峰，（，）=（8.5，22）處速度梯度為0，將其定義為低速區(qū)頂點(diǎn)。=35處，速度梯度由上游的先減小后增大變?yōu)閱握{(diào)減小，是由于剪切層不斷向+軸方向移動接觸壁面所致，定義為再附區(qū)的起始點(diǎn)。自=50起，分離區(qū)內(nèi)速度梯度沿+方向無明顯變化，定義為再發(fā)展區(qū)起始點(diǎn)。隨著流動的發(fā)展，堵塞對流動的影響愈來愈低，軸向速度得到展平，=160處，流動已接近充分發(fā)展。

圖4　堵塊下游軸向速度分布（Re=9 600）

圖5所示為=9 600工況下堵塞體下游歸一化橫向速度b分布。如圖5（a）所示，堵塞下游主流區(qū)內(nèi)靠近剪切層處出現(xiàn)高橫向速度，靠近入口處出現(xiàn)高速度梯度。回流區(qū)內(nèi)出現(xiàn)兩對方向相反的橫向速度。圖5（b）給出了歸一化橫向速度隨下游距離增加的演變過程。=2處，橫向速度沿+軸方向，于=0.6處出現(xiàn)第一個較高的速度梯度，速度到達(dá)第一個峰值，該峰值在12≤≤14達(dá)到最大，后由于強(qiáng)剪切流動迅速下降至谷值，橫向流動速度方向變?yōu)?軸方向。隨后速度梯度方向改變，速度方向再次變回+軸方向。速度谷值不斷增大，分離區(qū)內(nèi)速度峰于=10附近消失，該區(qū)域為一次回流區(qū)邊緣。在=20處，-軸方向橫向速度消失，該區(qū)域為二次回流區(qū)邊緣。=160處，橫向速度接近于0，流動接近充分發(fā)展。

圖5　堵塊下游橫向速度分布（Re=9 600）

圖6為入口堵塞下游時均流場渦量圖。在堵塊下游出現(xiàn)一對明顯的漩渦對。在回流區(qū)中，受窄縫壁面摩擦力限制，漩渦尺度較小。靠近剪切層的一次渦比二次渦的渦量更大，耗散更快，影響面積更大。

圖6　堵塊下游時均流場渦量（Re=9 600）

2.2　湍流脈動場

圖7　入口附近湍流強(qiáng)度分布：（a）雷諾剪切應(yīng)力（b）軸向湍流強(qiáng)度（c）橫向湍流脈動強(qiáng)度（Re=4 800）

2.3　雷諾數(shù)效應(yīng)

圖8給出了各雷諾數(shù)下流場歸一化軸向速度、橫向速度、軸向湍流強(qiáng)度、橫向湍流強(qiáng)度分布。如圖8（a）所示，各截面軸向速度場數(shù)值隨雷諾數(shù)的升高而下降，表現(xiàn)出顯著的雷諾數(shù)效應(yīng)，=8處，=2 400、4 800工況分離區(qū)出現(xiàn)速度峰，低速區(qū)起始點(diǎn)隨雷諾數(shù)的升高向下游方向移動。低速區(qū)頂點(diǎn)、再附區(qū)起始點(diǎn)、再發(fā)展區(qū)起始點(diǎn)同理。如圖8（b）所示，=8處，=9 600工況分離區(qū)內(nèi)出現(xiàn)速度峰，=2 400、4 800工況分離區(qū)內(nèi)速度峰已消失，一次回流區(qū)邊緣隨雷諾數(shù)的升高向下游移動。二次回流區(qū)邊緣同理。可以得出結(jié)論，流動主流區(qū)以外的區(qū)域面積隨雷諾數(shù)的升高而增大。圖8（c）、（d）比較了各雷諾數(shù)下湍流強(qiáng)度差異，比較發(fā)現(xiàn)歸一化湍流脈動速度均方根大小與雷諾數(shù)無明顯關(guān)系，各截面峰值隨著雷諾數(shù)升高向-軸方向移動，高湍流強(qiáng)度區(qū)域面積隨雷諾數(shù)升高而增大。

圖8　流動雷諾數(shù)效應(yīng)

3　結(jié)論

本文采用PIV技術(shù)對雷諾數(shù)2 400～9 600，邊緣25%堵塞份額的入口堵流進(jìn)行全流場測量，研究堵塞下游湍流特性，結(jié)果表明：

（1）矩形窄縫通道入口堵塞下游流場分為六個區(qū)域：主流區(qū)、剪切層、回流區(qū)、低速區(qū)、再附區(qū)、再發(fā)展區(qū)。回流區(qū)中，由于強(qiáng)剪切流動，一次回流區(qū)耗散更快，面積小于二次回流區(qū)，但渦量更大。

（2）高湍流脈動速度與高雷諾剪切應(yīng)力主要分布于剪切層和漩渦中，并且隨著流動發(fā)展迅速衰減，二次回流區(qū)內(nèi)湍流耗散較慢，高湍流強(qiáng)度區(qū)域面積較大。

（3）雷諾數(shù)效應(yīng)顯著。隨著雷諾數(shù)升高，剪切層影響范圍增大，一次回流區(qū)、二次回流區(qū)、低速區(qū)面積增大，再附著區(qū)、再發(fā)展區(qū)向下游移動，高雷諾數(shù)區(qū)域面積增大。

入口堵流通道中的流動速度及湍流脈動分布會影響通道的傳熱性能，對堵流事故傳熱惡化機(jī)理研究具有一定的意義。本文將為板式燃料元件堵流事故系統(tǒng)程序及CFD最佳實踐導(dǎo)則開發(fā)與驗證提供高分辨率精細(xì)實驗數(shù)據(jù)。未來關(guān)注重點(diǎn)將是堵塞份額對流場的影響以及高溫高壓實驗研究。

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PIV Flow Measurement in a Rectangular Narrow Channel with Inlet Blockage

YAO Weiyi，QU Wenhai，XIONG Jinbiao*，ZHANG Tengfei，CHAI Xiang，LIU Xiaojing

（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

Plate-type fuel assembly leads to high heat transfer efficiency and consequently compact cores. However，the rectangular narrow channel between fuel plates is prone to get blocked，which results in local heat transfer deterioration. Particle image velocimetry（PIV）technique is employed to measure the velocity field in a rectangular narrow channel with 25% inlet blockage area at different Reynolds number（2400-9600）at room temperature and pressure. Distribution of mean velocity，vorticity，turbulent fluctuation velocity is analyzed downstream of the blockage in order to investigate influence of inlet blockage on the flow field and the Reynolds number effect. It is found that in a rectangular narrow with inlet blockage the flow field can be divided into six regions：main flow region，shear layer，recirculation region，reattachment region，low velocity region and attached or recovery region. Comparing with the main flow region，the other regions have lower flow velocity. Shear flow produces a pair of eddies，and flow gradually stabilizes after reattachment. The flow has great Reynolds number effect.

Rectangular narrow channel；Inlet blockage；Particle image velocimetry；Flow field

TL334

A

0258-0918（2021）05-1016-07

2020-05-06

姚維一（1996—），男，江蘇南通人，碩士，現(xiàn)主要從事核科學(xué)與工程相關(guān)研究

熊進(jìn)標(biāo)，E-mail：xiongjinbiao@sjtu.edu.cn