低流速自然循环过冷沸腾汽泡脱离点实验研究.docx

1、第28卷第4期核科学与工程Vol.28No.42008年12月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineeringDec,2008低流速自然循环过冷沸腾汽泡脱离点实验研究谭思超口,高璞珍2,秦胜杰3,黄彦平3,苏光辉1(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室核能系，陕西西安710049；2.哈尔滨工程大学核科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150001；3.中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环重点实验室，四川成都610041)摘要：针对低流速环形通道中自然循环过冷沸腾汽泡脱离点特性进行了实验研究，运用Saha-Zuber模型.Bowring模型.Forst

2、er模型和Levy模型测算汽泡脱离点的位置，与实验值进行比较，发现由于流速较低，上述模型不适用于计算本实验条件下的汽泡脱离点。以Levy模型为基础，修正了浮力项的影响系数，修正后的模型与实验结果符合良好。关键词：自然循环；过冷沸腾；汽泡脱离点；低流速中图分类号:TL331,TK123文献标识码：A文章编号：0258-0918(2008)04-0362-05ExperimentalstudyofnaturalcirculationsubcooledboilingbubbledepartureinlowflowrateconditionTANSi-chao1,2,GAOPu-zhen2»

3、QINSheng-jie3,HUANGYan-ping3»SUGuang-hui1(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering»Xi'anJiaotongUniversity,Xi'anofShaanxiProv.710049China；2.CollegeofNuclearScienceandTechnology,HarbinEngineeringUniversity,HarbinofHeilongjiangProv.150001,China；3.NationalKeyLaboratoryof

4、BubblePhysicsandNaturalCirculation,NPIC,ChengduofSichuanProv.610041,China)Abstract：Theexperimentalstudyofnaturalcirculationsubcooledboilinginlowflowrateconditioniscarriedout,andthepointsofbubbledeparturearepredictedwithSaha-Zubermodel,Bowringmodel,ForstermodelandLevymodel,butdonotfitinwiththeexperim

5、entaldatabecauseofthelowflowrate.Thusthepresentmodelsarenotadaptedtobubbledepartureprediction.BasedonLevymodel,thecoefficientofbuoyancyiscor-rectedandthecorrectedmodelfitinwithexperimentalresultswell.Keywords：naturalcirculation；subcooledboiling；bubbledeparture；lowflowrate收稿日期:2008-01-18；修回日期：2008-04

6、-16基金项目：中国博士后科学基金资助(20060401002),国家自然科学基金资助(50806014),新世纪优秀人才支持计划资助(NCET-06-0837),空泡物理和自然循环重点实验室基金资助作者简介：漂思超(1979)，男，山东龙口人，副教授，博士后，从事反应堆热工水力研究图1实验回路简图Fig.1SketchofexperimentalloopII厂进水孔端封闭，暂未解决加热管壁温、流体温度的测量问题，对加热壁面温度以及加热段内流体温度没有进行测量，采用实验段流体入口、出口温度结合经验关系式计算实验段内壁温，并将实验自然循环对于提高核动力装置固有安全性，系统简化等方面具有重要意义。

7、在自然循环由单相向两相过渡中，自然循环的流动特性发生很大变化，汽泡脱离点将流道分成两个截然不同的区域，将自然循环流动分成两个不同的形态，使其具有不同的热工特性。现有的计算模型多数是强迫循环条件下获得的，而自然循环条件下流速往往较低，浮力影响显著，相关计算模型的适用性需要验证和发展。以水为工质，针对低流速条件下自然循环过冷沸腾汽泡脱离点特性进行了实验研究。1实验装置及现象实验采用的热工回路如图1所示。整个实验回路由预热器、实验段、上升段、冷凝器和下降段组成。工作流体为去离子水，实验工质按箭头所示方向在回路中流动，在预热器中被加热到所需要的入口温度，进入试验段中继续被加热，从试验段流出经过上升段进

8、入冷凝器，冷凝后返回预热器，整个回路高约3mo试验段为一内径10mm,夕卜径22mm环形通道，内侧为10X1mm不锈钢管，外侧为25XI.5mm玻璃管，采用直流电加热。实验时，流体从内管流入试验段，通过进水孔进入环形通道，经过出水孔流出试验段，如图2所示，试验段外有标尺，以便于记录脱离点位置。汽泡脱离点的确定以观察为主，辅之以录像和拍照。实验参数范围如下：压力：0.1-2.0MPa；入口过冷度：3070°C；加热功率58kW；质量流速：4595kg/(m2s)0随着加热功率的增加，出口水温增加，试验段上出现零星产汽点，继续增加功率，则出现非常明显的产汽区域，在某一位置以上，汽泡大量连

9、续产生，在该位置以下，汽泡只是零星出现，该点被定义为汽泡脱离点，如图3所示。随着加热功率的升高，汽泡脱离点逐渐下移。在实验中，没有观察到明显的过冷沸腾起始点，没有看到明显的汽泡附着在壁面的现象，汽泡产生后直接脱离壁面。2汽泡脱离点壁温的计算实验中，由于采用可视化实验段，实验段两。10mmII巾22mmizr图2实验段简图Fig.2Testsection图3实验现象Fig.3Experimentalphenomenon400050006000700080009000100(X)1!0001200013000Re图4努塞尔数计算值和实验值的比较Fig.4Comparisonofexperiment

10、alandcalculatedNusseltnumbers测量的壁温和计算结果进行对比，以验证计算的准确性。假设实验段热流密度均匀分布，根据流量、入口过冷度和脱离点位置，计算汽泡脱离点水温TFDB，见式(1)。Nu=0.116(Re2/3125)Prfm2/3式中：De为当量直径；，为加热实验段长度;灼、四分别为按水温和壁温查得的水的动力黏度;下标f、l表示流体、液体；下标w表示壁面。层流区CRe<2200)的换热系数采用式(3)计算，紊流区(屁>104)的换热系数采用式(4)计算。0.14(2)Nu=0.17Ke?-33Pr?*43Gr01Nu=0.0211?e?-8Pr?-43

11、PrfPrfPrw0.25(4)0.25(3)TFDbIFDB(1)式中：为实验段入口水温2为热流密度；D为加热管直径；Lg为汽泡脱离点处加热长度(测量值)；G为质量流速;5为液体平均定压比热;A为通道面积。计算汽泡脱离点处的壁温需要先计算汽泡脱离点处的对流换热系数。根据对汽泡脱离点处雷诺数的计算，加热段汽泡脱离点处的流动处于层流区和过渡区。过渡区的流动比较复杂，换热系数计算关系式的适用性也存在差异。实验中测得了可视化通道出口处圆形通道的出口水温度和出口壁温，参考各关系式的适用范围，并通过与测量数据的比较，选用式(2)计算过渡区(2200<Re<104)汽泡脱离点处的换热系数，比较

12、结果如图4所示，可见在过渡区内计算结果与实验结果符合良好。根据计算得到的努塞尔数，计算汽泡脱离点处换热系数九，再计算汽泡脱离点处的壁温，根据计算的Tw、Tfdb以及测量的结果进行分析。3相关计算模型的验证3.1Saha-Zuber模型SahaZuber模型以努塞尔数Nu和斯坦顿数&作为相似准则判断汽泡脱离点。引出贝克利数Pe=Nu/St,以Pe作为判断依据，当Pe<70000时，为热力控制区，汽泡脱离点的过冷度为(TsuQfdb=0.0022qDc/A)(5)当Pe>70000时，为水动力控制区，汽泡脱离点过冷度为(Tsub)FDB=154q/(Gc*pi)(6)实验为自然

13、循环，流速较低，经计算,流动均处于热力控制区，用式（5）计算的汽泡脱离点过冷度与实验测得的结果比较如图5所示，可见,计算结果远小于实验结果，显然Saha-Zuber模型不适合计算低流速条件下的汽泡脱离点。7I1IiI102030405060实验值/C图5Saha-Zuber模型计算值与实验值比较Fig.5ComparisonbetweenthecalculationvalueofSaha-Zubermodelandtheexperimentalvalue3.2Bowring模型Bowring将过冷沸腾分成两个区，高过冷沸腾区内汽泡附在加热壁面上，低过冷沸腾区内汽泡会脱离壁面进入主流液体，认为汽

14、泡脱离点处主流液体的过冷度（Aub）FDB为（*jb）FDB=r籍（7）（的）in式中为液体在通道进口处的速度；T）是一个经验系数，对于水77=（14+0.987p）X10-6；p为系统压强，单位为MPa。102030405060实验值/C图6Bowring模型计算值与实验值比较Fig.6ComparisonbetweenthecalculationvalueofBowringmodelandtheexperimentalvalue计算的汽泡脱离点过冷度与实验测得的结果比较如图6所示，计算结果小于实验结果，可见Bowring模型也不适合计算低流速条件下的汽泡脱离点。3.3Forster模型Fo

15、rster根据实验，提出了用式（8）计算汽泡脱离点的过冷度，计算结果如图7所示，可见，计算结果较实验结果要大得多。（LGfdb=譬25铮广沔（-岛铮广沔（-岛九spl图7Forster模型计算值与实验值比较Fig.7ComparisonbetweenthecalculationvalueofForstermodelandtheexperimentalvalue3.4Levy模型Levy假设，在过冷沸腾净蒸汽产生点汽泡脱离壁面时，汽泡所受到的表面张力、浮力及主流流体对汽泡的曳力3个作用力平衡，其和为零，即CbjRb（pipg）g+Cf哥RGRb=0（9）式中：G、Cf、G为系数；Rd为汽泡半径；

16、c为剪切应力泌为表面张力。导出C5a1/2(10)Rd=CbgSQ+CF苣假定从汽泡顶端到壁面距离Vb和汽泡半径Rd成正比，得yB=cE0-5（1+。俨於_村勺"Fw（Tw-0.5(11)用（土）°*包乘以上式，得出无量纲距离Y+=（J（扣响）°3再应用Martinelli提出的通用温度分布关系式，计算无因次温度TS，最后得出净蒸汽产生点的流体过冷度（Twb）FDB=一翌（包广（13）LhCpipiMw/J其中，在计算中,Levy认为浮力的影响可以忽略，即式（12）中C'=0。C最佳值为0.015。计算的汽泡脱离点过冷度与实验测得的结果比较如图8所示。从图

17、中可以看出，计算结果与实验结果差别较大，甚至出现了负值,这也说明Levy模型不适用于低流速条件下的计算。0111111102030405060实验值/C图9修正后的Levy模型计算值与实验值比较Fig.9ComparisonbetweenthecalculationvalueofadvancedLevymodelandtheexperimentalvalue-50111111102030405060实验值/C图8Levy模型计算值与实验值比较Fig.8ComparisonbetweenthecalculationvalueofLevymodelandtheexperimentalvalue单纯

18、取一个通用系数，而应该拟合修正关系式,修正结果为C=0.0150.01054-0.02(岛)+0.013Re4000)(14)采用修正关系式计算的结果与实验值比较如图10所示，拟合误差在25%以内。60在Levy模型中，浮力的影响被忽略了，而在低流速条件下，浮力的影响不可忽略，因此杨瑞昌对Levy模型进行了修正，取C=0.014,二=0.0034。计算结果如图9所示，修正后模型较原有模型更为合理，计算结果与实验值更为接近。从图9也可以看出，通过对浮力项修正获得低流速条件下的汽泡脱离点模型是可行的。4低流速自然循环汽泡脱离点计算模型上述的计算结果表明，现有的计算模型并不适用于低流速条件下的汽泡脱

19、离点计算，从3.4的分析看»Levy模型在计算自然循环过冷沸腾汽泡脱离点的时候，仍具有较大的修正空间，结合实验数据，对浮力项进行了修正。随着雷诺数的不同，浮力项的作用也不同，因此不能366102030405060实验值/C3020504010图10拟合结果和实验结果的比较Fig.10Comparisonbetweenthefittingandexperimentalresults5结论针对低流速条件下自然循环过冷沸腾汽泡脱离点特性进行了实验研究，实验中未发现典型的过冷沸腾起始点，汽泡脱离后直接进入通道。结合Saha-Zuber模型、Bowring模型、Forster模型和Levy模型计算了汽泡脱离点的（下转第37页）7结束语良好，测量信号显示正常。由宜宾核燃料元件厂制造了添加微量Al2O3/SiO2.Cr2O3的U02燃料大晶粒芯块，芯块质量符合技术要求。通过堆内热中子注量率测量和堆外水力试验证明，双包壳燃料棒的设计符