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1、 第31卷第1期原子能科学技术Vol . 31,No. 11997年1月A tom ic Energy Science and TechnologyJan.1997低压低干度自然循环汽水两相流 流量振荡特性3吴少融 贾海军 李怀萱 王 宁 姜胜耀 张佑杰 姚思民(清华大学核能技术设计研究院,北京, 100084)实验研究了低压低干度汽水两相混合物在自然循环条件下产生密度波不稳定性时的流量振荡特性。实验在大型热工水力学实验回路HRTL2200上以水为工质进行,压力为110410M Pa,加热功率为27190 kW ,人口欠热度为580,加热段出口质量含汽率小于5%。实验参数范围包括了200MW核
2、供热堆微沸腾工况运行的参数。获得了有关自然循环流量振荡模式、 相对振幅、 振荡周期等振荡特性参数随系统压力、 加热功率和冷却剂入口欠热度等热工参数变化的实验结果。关键词 核供热堆 自然循环 两相流 流动稳定性 振荡特性随着低温核供热反应堆技术的发展,低压低干度下自然循环系统的两相流流动稳定性问 题引起了人们越来越多的重视1, 2。本文着重研究200MW核供热反应堆3产生流动不稳定 现象时,系统自然循环流量的振荡特性。200MW核供热反应堆为一体化布置,冷却剂自然循环。若在微沸腾工况下运行,堆芯出口质量含汽率Xe很小(约1% ),运行压力p较低(215M Pa),上升段中将有较大的空泡份额, 有
3、可能出现重力压头占优势的第一类密度波不稳定现象。 过去对两相流流动不稳定性的研究主要集中在高压、 高干度区46,对低压、 低干度区两 相流流动不稳定性的研究尚不充分,为加深对这一领域的了解,确保200MW堆的安全运行, 在大型热工水力学模拟实验回路HRTL2200上,在较宽的参数范围内对低压低干度下自然循环系统的两相流动稳定性问题进行实验研究。1 实验回路HRTL2200实验回路系统流程图及主回路结构图示于图1。整个系统由主回路、 二次回 路、 辅助回路、 电源系统、 测量控制系统和数据采集系统组成。 主回路包括实验本体、 上升段、 汽 水分离器、 电加热辅助稳压器、 冷凝器、 换热器和下降段
4、等。回路中装有循环泵,可进行自然循 环和强迫循环流动。3 国家 “八五” 攻关项目收稿日期: 1996201207 收到修改稿日期: 1996204225在自然循环状态下,冷却剂(去离子水)从加热本体下端进入加热段,吸收热量后温度上 升、 密度下降,并沿上升段进入汽水分离器,分离出的蒸汽进入冷凝器,冷凝水与主流水混合后 进入换热器,并把热量传给二回路冷却水,最终传至大气。流出换热器的欠热水沿下降段返回 加热本体,从而完成1个自然循环过程。实验过程中,包括压力、 压差、 温度、 质量流量qm、 电功率P等所有测量参数均由计算机采 集和处理。通过远距离控制电动调节阀来调节换热器、 冷凝器二次侧的冷
5、却水流量,实现对一 回路的系统压力及冷却剂入口欠热度 Tsub的控制。图1 HRTL2200热工水力学实验回路流程图Fig. 1 Principle flow diagram of the test systemHRTL22001加热本体; 2上升段; 3汽水分离器; 4辅助稳压器; 5冷凝器; 6换热器; 7旋涡流量计; 8主回路屏蔽泵; 9文氏管流量计;10硅整流电源; 11二回路屏蔽泵; 12电动调节阀; 13风冷塔;14二回路稳压罐2 结果及分析维持系统的加热功率、 阻力系数Kin和一回路系统压力为一定值,改变换热器二次侧冷却水流量,以确定自然循环系统在不同入口欠热度下的运行工况。由本
6、实验室以前的实验及预备实验可以看出:当实验段出口流体处于大欠热度时,整个系统是稳定的。在加热功率、 入口阻力系数及系统压力一定,实验段 Tsub逐渐减小,实验段流体的出口焓逐渐接近并达到饱和值而出现净蒸汽时,系统流量将产生振荡。 图2所示为系统达到稳定区与非稳定区边界时,流量逐渐开始发生振荡的过渡过程。 当系统达到某一平衡的不稳定工况后,在一定的加热功率和 Tsub条件下,流量振荡维持自激的等幅低频振荡模式,同时还伴随有系统压力和流体温度等热工参数的振荡。 典型的流量振荡波形示于图3。 当系统出口质量含汽率进一步增大并超过一定值时(约1% ),系统流量振荡消失,自然循环回路重新进入稳32第1期
7、 吴少融等:低压低干度自然循环汽水两相流流量振荡特性定状态。此时,加热段出口质量含汽率相对较高,系统进入了干度较高的稳定区。定义流量的 相对振幅 qm?qm为流量的峰2峰平均值 qm与系统平均流量qm之比。当 qm 5%时,设定系 统不稳定。上述整个过程中 qm?qm随 Tsub的变化示于图7。图4 在不同压力和加热功率下大欠热度边界附近的流量振荡波形Fig. 4 Typicalmass flow oscillation near the large subcooling boundaryat different pressure and heating power(a)p= 115M Pa,
8、P= 130 kW ,Kin= 25; (b)p= 110M Pa,P= 107 kW ,Kin= 25Tsub不同时,自然循环流量振荡的 qm?qm不同,流量的振荡模式也不尽相同。 图3显示了小入口欠热度时的流量随时间t的振荡模式。此时,系统发生容积沸腾,流量振荡波形较为规则。图4 (a)和(b)显示了不同压力和加热功率时,大入口欠热度下的流量振荡形态。此时,过 冷沸腾占主要地位,流量振荡波形具有较为复杂的谐波成分,表现出过冷沸腾流动稳定性的特征和系统热力学非平衡行为的后果。有关这方面的研究结果将另文报道。211 压力对振荡特性的影响在加热功率、 Tsub、Kin不变条件下,记录不同压力下不
9、稳定时的流量振荡波形。获得的qm?qm和振荡周期T随系统压力p变化的曲线示于图5和6。从图5可以看出:相对振幅随压力p增大而减小。这是因为p的增大使得低含汽率区空42原子能科学技术 第31卷泡份额随质量含汽率的变化减缓,流动驱动力的变化率减小,使得流量波动减小。图5 流量相对振幅随系统压力的变化Fig. 5 Effect of the pressure on the relativeamplitude of the flow rateP= 81 kW;Kin= 251最大相对振幅; 2Tsub= 50 相对振幅图6 流量振荡周期随系统压力的变化Fig. 6 Effect of the pres
10、sure onthe oscillation period of the flow rateP= 130 kW;Kin= 25;Tsub= 41T与两相段内流速的大小有关。 在 Tsub较大时,T随p增大略有减小,变化不明显。 这是 因为:在大欠热度工况下,反映流量大小的流速受压力影响较小,因而,T的变化也不明显。212 功率对振荡特性的影响 在p、 Tsub、Kin不变条件下,记录不同功率下发生不稳定时的流量振荡波形。 得到的 qm?qm和T随加热功率的变化曲线示于图7和8。从图7可以看出,流量振荡区域随加热功率的增加向大欠热度方向移动,但最大流量相对 振幅随加热功率的变化不大。 这是因为,
11、功率的增加使得流体在更大的入口欠热度时出口仍能 达到饱和而产生蒸汽。只要质量含汽率不大于某一值(约1% ),系统就可能产生振荡。功率对质量含汽率与容积含汽率的关系影响不大,对最大振幅的影响因而也不大。图7 流量相对振幅随加热功率的变化Fig. 7 Effect of the heating power on therelative amplitude of the flow ratep= 115M Pa;Kin= 25P= 27 kW;P= 81 kW;P= 130 kW图8 流量振荡周期随加热功率的变化Fig. 8 Effect of the heating power on theosci
12、llation period of the flow ratep= 115M Pa;Kin= 25;Tsub=4352第1期 吴少融等:低压低干度自然循环汽水两相流流量振荡特性图8表明,T随功率增大而减小。这是因为,加热功率升高导致单相段长度变短,从而使 流过单相区的时间缩短。功率增大也使两相混合物流速增大,导致T减小。213 欠热度对振荡特性的影响 在加热功率、p、Kin不变条件下,记录不同欠热度下发生不稳定时的流量振荡波形。 得到的qm?qm和T随 Tsub的变化曲线示于图9和10。图9 流量相对振幅随入口欠热度的变化Fig. 9 Effect of the inlet subcoolin
13、g on therelative amplitude of the flow ratep= 215M Pa;Kin= 25;P= 130 kW图10 流量振荡周期随入口欠热度的变化Fig. 10 Effect of the inlet subcooling on theoscillation period of the flow ratep= 215M Pa;Kin= 25;P= 130 kW从图9可以看出,在大入口欠热度和小入口欠热度区,qm?qm均小于5% ,可认为系统是 稳定的。这是因为,在大入口欠热度时,出口流体处于单相状态,流动是稳定的。当流体入口欠 热度小于一定值时,出口处流体质量
14、含汽率总是大于1% ,容积含汽率的变化很小,不足以影 响驱动力过大变化而导致流量的振荡。 流量发生振荡的欠热度范围处于中间区域,在此范围内 质量含汽率对容积含汽率的影响较大。 对小欠热度稳定区,T随欠热度增大近乎呈线性增长。这是因为,欠热度增大,单相段长 度增加,且流速下降,因而使流量振荡周期变长。3 结论 自然循环系统在产生第1类密度波不稳定性时,T受加热功率、 Tsub的影响较大。因为它 们直接影响到单相段长度和两相流速的大小。 在本实验研究的压力范围内,大欠热度时压力对T的影响较小;qm?qm因受质量含汽率与容积含汽率间的变化关系影响较大,从而受加热功 率、 Tsub的影响也较显著。 本
15、实验研究获得的不同工况下、 不同工作点的流量振荡波形数据和波形图谱,可用于分析 和判别系统稳定性的内在机理。参 考 文 献1 SavalskiiV P, Kobyar LL ,L eppik PA , et al . Stability of the Coolant Circulation in a M odel of the A ST262原子能科学技术 第31卷500 Reactor. Soviet A tom ic Energy(a translation of A tomnaya Energiya), 1983, 55(4): 205208.2 W u SR,W angDZ, YaoM
16、 S, et al . A n Experi mental Study on Hydrodynam ic Stability ofLow Q uality Two2phase Flow W ith N atural Circulation. In: Shah RK, Ganic EN , Yang KT, eds. Experi mental Heat T rans2fer, FluidM echanics and Thermodynam ics . The FirstWorld Conference on Experi mental Heat T ransfer,FluidM echanics, and Thermodynam ics . Dubrovnik, Yugoslavia. 1988. N ew York. Am sterdam. London: El2sevier Publishing Co,
