1、第28卷第4期核科學與工程Vol.28No.42008年12月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineeringDec,2008低流速自然循環過冷沸騰汽泡脫離點實驗研究譚思超口,高璞珍2,秦勝杰3,黃彥平3,蘇光輝1(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室核能系，陜西西安710049；2.哈爾濱工程大學核科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150001；3.中國核動力研究設計院空泡物理和自然循環重點實驗室，四川成都610041)摘要：針對低流速環形通道中自然循環過冷沸騰汽泡脫離點特性進行了實驗研究，運用Saha-Zuber模型.Bowring模型.Forst

2、er模型和Levy模型測算汽泡脫離點的位置，與實驗值進行比較，發現由于流速較低，上述模型不適用于計算本實驗條件下的汽泡脫離點。以Levy模型為基礎，修正了浮力項的影響系數，修正后的模型與實驗結果符合良好。關鍵詞：自然循環；過冷沸騰；汽泡脫離點；低流速中圖分類號:TL331,TK123文獻標識碼：A文章編號：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基金項目：中國博士后科學基金資助(20060401002),國家自然科學基金資助(50806014),新世紀優秀人才支持計劃資助(NCET-06-0837),空泡物理和自然循環重點實驗室基金資助作者簡介：漂思超(1979)，男，山東龍口人，副教授，博士后，從事反應堆熱工水力研究圖1實驗回路簡圖Fig.1SketchofexperimentalloopII廠進水孔端封閉，暫未解決加熱管壁溫、流體溫度的測量問題，對加熱壁面溫度以及加熱段內流體溫度沒有進行測量，采用實驗段流體入口、出口溫度結合經驗關系式計算實驗段內壁溫，并將實驗自然循環對于提高核動力裝置固有安全性，系統簡化等方面具有重要意義。

7、在自然循環由單相向兩相過渡中，自然循環的流動特性發生很大變化，汽泡脫離點將流道分成兩個截然不同的區域，將自然循環流動分成兩個不同的形態，使其具有不同的熱工特性?，F有的計算模型多數是強迫循環條件下獲得的，而自然循環條件下流速往往較低，浮力影響顯著，相關計算模型的適用性需要驗證和發展。以水為工質，針對低流速條件下自然循環過冷沸騰汽泡脫離點特性進行了實驗研究。1實驗裝置及現象實驗采用的熱工回路如圖1所示。整個實驗回路由預熱器、實驗段、上升段、冷凝器和下降段組成。工作流體為去離子水，實驗工質按箭頭所示方向在回路中流動，在預熱器中被加熱到所需要的入口溫度，進入試驗段中繼續被加熱，從試驗段流出經過上升段進

8、入冷凝器，冷凝后返回預熱器，整個回路高約3mo試驗段為一內徑10mm,夕卜徑22mm環形通道，內側為10X1mm不銹鋼管，外側為25XI.5mm玻璃管，采用直流電加熱。實驗時，流體從內管流入試驗段，通過進水孔進入環形通道，經過出水孔流出試驗段，如圖2所示，試驗段外有標尺，以便于記錄脫離點位置。汽泡脫離點的確定以觀察為主，輔之以錄像和拍照。實驗參數范圍如下：壓力：0.1-2.0MPa；入口過冷度：3070°C；加熱功率58kW；質量流速：4595kg/(m2s)0隨著加熱功率的增加，出口水溫增加，試驗段上出現零星產汽點，繼續增加功率，則出現非常明顯的產汽區域，在某一位置以上，汽泡大量連

9、續產生，在該位置以下，汽泡只是零星出現，該點被定義為汽泡脫離點，如圖3所示。隨著加熱功率的升高，汽泡脫離點逐漸下移。在實驗中，沒有觀察到明顯的過冷沸騰起始點，沒有看到明顯的汽泡附著在壁面的現象，汽泡產生后直接脫離壁面。2汽泡脫離點壁溫的計算實驗中，由于采用可視化實驗段，實驗段兩。10mmII巾22mmizr圖2實驗段簡圖Fig.2Testsection圖3實驗現象Fig.3Experimentalphenomenon400050006000700080009000100(X)1!0001200013000Re圖4努塞爾數計算值和實驗值的比較Fig.4Comparisonofexperiment

10、alandcalculatedNusseltnumbers測量的壁溫和計算結果進行對比，以驗證計算的準確性。假設實驗段熱流密度均勻分布，根據流量、入口過冷度和脫離點位置，計算汽泡脫離點水溫TFDB，見式(1)。Nu=0.116(Re2/3125)Prfm2/3式中：De為當量直徑；，為加熱實驗段長度;灼、四分別為按水溫和壁溫查得的水的動力黏度;下標f、l表示流體、液體；下標w表示壁面。層流區CRe<2200)的換熱系數采用式(3)計算，紊流區(屁>104)的換熱系數采用式(4)計算。0.14(2)Nu=0.17Ke?-33Pr?*43Gr01Nu=0.0211?e?-8Pr?-43

11、PrfPrfPrw0.25(4)0.25(3)TFDbIFDB(1)式中：為實驗段入口水溫2為熱流密度；D為加熱管直徑；Lg為汽泡脫離點處加熱長度(測量值)；G為質量流速;5為液體平均定壓比熱;A為通道面積。計算汽泡脫離點處的壁溫需要先計算汽泡脫離點處的對流換熱系數。根據對汽泡脫離點處雷諾數的計算，加熱段汽泡脫離點處的流動處于層流區和過渡區。過渡區的流動比較復雜，換熱系數計算關系式的適用性也存在差異。實驗中測得了可視化通道出口處圓形通道的出口水溫度和出口壁溫，參考各關系式的適用范圍，并通過與測量數據的比較，選用式(2)計算過渡區(2200<Re<104)汽泡脫離點處的換熱系數，比較

12、結果如圖4所示，可見在過渡區內計算結果與實驗結果符合良好。根據計算得到的努塞爾數，計算汽泡脫離點處換熱系數九，再計算汽泡脫離點處的壁溫，根據計算的Tw、Tfdb以及測量的結果進行分析。3相關計算模型的驗證3.1Saha-Zuber模型SahaZuber模型以努塞爾數Nu和斯坦頓數&作為相似準則判斷汽泡脫離點。引出貝克利數Pe=Nu/St,以Pe作為判斷依據，當Pe<70000時，為熱力控制區，汽泡脫離點的過冷度為(TsuQfdb=0.0022qDc/A)(5)當Pe>70000時，為水動力控制區，汽泡脫離點過冷度為(Tsub)FDB=154q/(Gc*pi)(6)實驗為自然

13、循環，流速較低，經計算,流動均處于熱力控制區，用式（5）計算的汽泡脫離點過冷度與實驗測得的結果比較如圖5所示，可見,計算結果遠小于實驗結果，顯然Saha-Zuber模型不適合計算低流速條件下的汽泡脫離點。7I1IiI102030405060實驗值/C圖5Saha-Zuber模型計算值與實驗值比較Fig.5ComparisonbetweenthecalculationvalueofSaha-Zubermodelandtheexperimentalvalue3.2Bowring模型Bowring將過冷沸騰分成兩個區，高過冷沸騰區內汽泡附在加熱壁面上，低過冷沸騰區內汽泡會脫離壁面進入主流液體，認為汽

14、泡脫離點處主流液體的過冷度（Aub）FDB為（*jb）FDB=r籍（7）（的）in式中為液體在通道進口處的速度；T）是一個經驗系數，對于水77=（14+0.987p）X10-6；p為系統壓強，單位為MPa。102030405060實驗值/C圖6Bowring模型計算值與實驗值比較Fig.6ComparisonbetweenthecalculationvalueofBowringmodelandtheexperimentalvalue計算的汽泡脫離點過冷度與實驗測得的結果比較如圖6所示，計算結果小于實驗結果，可見Bowring模型也不適合計算低流速條件下的汽泡脫離點。3.3Forster模型Fo

15、rster根據實驗，提出了用式（8）計算汽泡脫離點的過冷度，計算結果如圖7所示，可見，計算結果較實驗結果要大得多。（LGfdb=譬25錚廣沔（-島錚廣沔（-島九spl圖7Forster模型計算值與實驗值比較Fig.7ComparisonbetweenthecalculationvalueofForstermodelandtheexperimentalvalue3.4Levy模型Levy假設，在過冷沸騰凈蒸汽產生點汽泡脫離壁面時，汽泡所受到的表面張力、浮力及主流流體對汽泡的曳力3個作用力平衡，其和為零，即CbjRb（pipg）g+Cf哥RGRb=0（9）式中：G、Cf、G為系數；Rd為汽泡半徑；

16、c為剪切應力泌為表面張力。導出C5a1/2(10)Rd=CbgSQ+CF苣假定從汽泡頂端到壁面距離Vb和汽泡半徑Rd成正比，得yB=cE0-5（1+。儼於_村勺"Fw（Tw-0.5(11)用（土）°*包乘以上式，得出無量綱距離Y+=（J（扣響）°3再應用Martinelli提出的通用溫度分布關系式，計算無因次溫度TS，最后得出凈蒸汽產生點的流體過冷度（Twb）FDB=一翌（包廣（13）LhCpipiMw/J其中，在計算中,Levy認為浮力的影響可以忽略，即式（12）中C'=0。C最佳值為0.015。計算的汽泡脫離點過冷度與實驗測得的結果比較如圖8所示。從圖

17、中可以看出，計算結果與實驗結果差別較大，甚至出現了負值,這也說明Levy模型不適用于低流速條件下的計算。0111111102030405060實驗值/C圖9修正后的Levy模型計算值與實驗值比較Fig.9ComparisonbetweenthecalculationvalueofadvancedLevymodelandtheexperimentalvalue-50111111102030405060實驗值/C圖8Levy模型計算值與實驗值比較Fig.8ComparisonbetweenthecalculationvalueofLevymodelandtheexperimentalvalue單純

18、取一個通用系數，而應該擬合修正關系式,修正結果為C=0.0150.01054-0.02(島)+0.013Re4000)(14)采用修正關系式計算的結果與實驗值比較如圖10所示，擬合誤差在25%以內。60在Levy模型中，浮力的影響被忽略了，而在低流速條件下，浮力的影響不可忽略，因此楊瑞昌對Levy模型進行了修正，取C=0.014,二=0.0034。計算結果如圖9所示，修正后模型較原有模型更為合理，計算結果與實驗值更為接近。從圖9也可以看出，通過對浮力項修正獲得低流速條件下的汽泡脫離點模型是可行的。4低流速自然循環汽泡脫離點計算模型上述的計算結果表明，現有的計算模型并不適用于低流速條件下的汽泡脫

19、離點計算，從3.4的分析看»Levy模型在計算自然循環過冷沸騰汽泡脫離點的時候，仍具有較大的修正空間，結合實驗數據，對浮力項進行了修正。隨著雷諾數的不同，浮力項的作用也不同，因此不能366102030405060實驗值/C3020504010圖10擬合結果和實驗結果的比較Fig.10Comparisonbetweenthefittingandexperimentalresults5結論針對低流速條件下自然循環過冷沸騰汽泡脫離點特性進行了實驗研究，實驗中未發現典型的過冷沸騰起始點，汽泡脫離后直接進入通道。結合Saha-Zuber模型、Bowring模型、Forster模型和Levy模型計算了汽泡脫離點的（下轉第37頁）7結束語良好，測量信號顯示正常。由宜賓核燃料元件廠制造了添加微量Al2O3/SiO2.Cr2O3的U02燃料大晶粒芯塊，芯塊質量符合技術要求。通過堆內熱中子注量率測量和堆外水力試驗證明，雙包殼燃料棒的設計符