双端进气T型管夹带试验研究

向 延，孙都成，章 静，刘建昌，巫英伟，张 鹏，秋穗正

（1.西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安 710049；

2.国核华清（北京）核电技术研发中心有限公司，北京 100190）

双端进气T型管夹带试验研究

向 延1，孙都成1，章 静1，刘建昌1，巫英伟1，张 鹏2，秋穗正1

（1.西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安 710049；

2.国核华清（北京）核电技术研发中心有限公司，北京 100190）

本文以AP1000为原型，通过模化分析设计建造了试验台架（ADETEL），进行了双端进气夹带起始和夹带率试验。用高速摄像仪对试验现象进行记录，并将试验数据与现有数据和模型进行了对比。结果表明，由于试验段结构及试验条件不同，本文试验数据和现有数据存在较大差异。试验中还对夹带频率进行了研究。结果显示，在夹带率较低时，夹带周期随夹带率的增加而显著减小，夹带率较大时夹带周期逐渐趋于稳定。

双端进气；夹带起始；夹带率；可视化

T型管广泛应用于工程实际中，可起到相分离和流量分配的作用。AP600／AP1000核电厂中第4级自动降压系统（ADS-4）采用T型结构，可在小破口事故中对主回路进行卸压［1－2］。

Zuber［3］于1980年提出了核电厂小破口事故中液滴夹带的重要性。在随后的几十年里，学者对竖直向上的T型管夹带进行了广泛研究，研究重点集中在夹带起始和夹带率。Crowley等［4］利用空气-水对小尺寸破口下的双端夹带进行了试验研究，但试验段结构与AP1000中ADS-4结构相差较大。在早期的试验中［5－8］，竖直支管和水平主管管径比d／D较小，且大部分试验数据都是在单端进气下得到。文献［9］以AP600为原型，利用空气-水对ADS-4夹带进行了单端进气试验研究，然而AP600中的d／D较AP1000的小，研究结果对AP1000中ADS-4夹带卸压的适用性并未得到验证。文献［10］以AP1000为原型，对ADS-4夹带进行了单端进气试验研究，但其流动发展长度较大，主要以分层流流动为主，与真实夹带有区别。

ADS-4打开后，热管段的气流主要由压力容器和蒸汽发生器提供，在夹带后期主要为压力容器衰变热产生的蒸汽，单端进气试验中忽略蒸汽发生器的行为，主要研究压力容器蒸汽夹带量。在双端进气时，则要考虑蒸汽发生器和压力容器中的蒸汽夹带。本文以AP1000 ADS-4结构为原型，以空气代替蒸汽作为试验介质，对双端进气进行试验研究。

1 模化分析

在特定的几何结构下，流型是影响夹带过程的重要因素。ADS-4支管阀门打开后，热管段内的流型可能为分层流、间歇流、环状流等多种流型。为此，应保证试验台架和AP1000中流型及流型转换相似。Taitel等［11］提出水平圆管内分层流、间歇流及环状流之间的流型转换可通过修正的气相弗劳德数和管内相对液位表示：

其中：f为某一函数；HL为热管段液位；D为热管段直径；Frg为修正的气相弗劳德数，可表示为：

其中：jg为气相表观速度；ρg为气体密度；Δρ为气液之间的密度差；g为重力加速度。

当试验和原型中热管段内相对液位相同时，流型转换准则相似，可表示为试验和原型的修正的气相弗劳德数相等，即：

根据Hewitt-Roberts流型图，ADS-4支管阀门开启后支管内的流型由搅混流过渡到环状流［12］，并最终稳定在环状流。为保证试验和原型中的ADS-4卸压管线内流型及流型转换一致［13］，Mishima等［14］提出竖直圆管内的流型转换准则：

其中：α为空泡份额；d为支管直径。

式（4）可改写为：

从式（5）可看出，当试验和原型中空泡份额一致时，竖直管内流型转换相似可表示为Frg相等。

此外，还应该保证夹带过程的相似，主要包含夹带起始和夹带率过程相似。应该保证夹带起始发生时水平主管内无量纲气腔高度相似，即：

其中，Hb为对应气相流量下的夹带起始高度的气腔高度。

夹带起始模型采用Smoglie等开发的模型，该模型被RELAP5程序采用［15］，表示为：

其中：C＝1.67为经验系数；˙mg为气相质量流量；ρl为水的密度。

将式（6）、（7）合并后可得：

其中，ug为支管速度。

支管夹带率一般由支管含气率x表示。本文模化分析采用RELAP5中采用的夹带率模型，可表示为：

由试验和原型的夹带率相似可得：

当试验和原型中热管段相对液位相同时，由式（6）、（10）可得夹带率相似自然成立。

2 试验

2.1 试验台架

根据上述模化分析，以AP1000为原型对试验台架（ADETEL）进行了设计建造，试验台架与原型直径比为1∶5.6。试验台架原理图如图1所示。在第1阶段的试验中采用空气-水作为工质。空气由空气压缩机提供，最大流量为0.22 m3／s。空气压缩机后接有2.0 m3的储气罐、空气过滤器和干燥机等设备。进入试验段的流量可通过调节旁通管线上的阀门进行调节。设有两条空气流量测量管线，分别用涡街流量计和V锥流量计测量大、小量程空气流量。进气口对称布置在ADS-4支管上、下游位置，试验中两进气口进气量保持一致。水的最大流量为15 t／h，水流量由质量流量计测量。水在进入试验段之前首先进入压力容器内的多孔板进行流量分配。为实现试验现象的可视，试验段采用有机玻璃加工。流经ADS-4支管的气液混合物在称重水箱内进行气液分离。称重水箱下均布有4只称重传感器对夹带水质量进行测量，空气则直接接至大气。

试验数据采用NI采集系统采集。利用Lab VIEW软件对试验数据进行采集和保存。热管段中ADS-4支管前、后液位采用差压变送器测量。利用压力传感器对储气罐、水箱及ADS-4管线压力进行测量。水箱内的液位通过差压变送器测量，并标识为DP-1。ADS-4支管上、下游压差标识为DP-2。水平热管段和ADS-4支管压差标识为DP-3。用热电阻对回路中的4处温度进行测量。

2.2 试验操作

图1 试验台架原理图Fig.1 Schematic of test facility

在气相流量恒定条件下，缓慢提高热管段内液位，当液位提高到某一临界值时，细小的液柱开始从气液界面夹带起来。被夹带起的液滴随即破碎成多个液滴。液滴沿不同轨迹回落至气液交界面或管壁，只有少许液滴被气相夹带至ADS-4支管。由于夹带量较小，此类夹带不会引起水平管内液位和DP-3信号变化，且夹带过程具有较强的随机性，只能用目测的方法判断夹带的发生，因此不能将此类夹带的发生作为夹带起始判断标准。随着热管段内液位的继续升高，较大液柱开始从气液界面分离并被夹带至ADS-4支管，这时DP-3信号会明显飞升，且热管段内液位会明显降低。本试验中，将DP-3信号的飞升作为夹带起始判断标准。

在夹带率试验中，在某一恒定气相流量下，向热管段内不断注水，热管段内液位不断升高，当液位超过夹带起始液位后，夹带开始，最终夹带量和水流量平衡。继续增加水流量，新的稳态夹带过程在更高的热管段液位建立起来。

2.3 试验现象

热管段内流型主要为分层波状流和间歇流。在稳态夹带试验中，夹带过程呈现出明显的周期性。每一夹带周期主要由两种夹带过程组成，分别为主夹带和次夹带。在次夹带中，ADS-4支管下气液界面会呈现出锥形结构，水从锥形波的波峰位置被气相夹带出去。次夹带中夹带率和DP-3的升幅都较小。次夹带对热管段液位影响较小，热管段内液位继续升高直至主夹带发生。主夹带发生时，液弹会首先在热管段内支管的上游或下游形成，并在支管上、下游气体挤压作用下快速在支管上、下游间移动，经过数次移动过程后，液弹体积逐渐减小并最终消失。主夹带的夹带过程较短，但夹带过程剧烈，夹带量大，夹带过程伴随着热管段液位的迅速降低和DP-3信号的大幅升高。在稳态夹带率试验中，热管段内液位曲线呈现明显的锯齿状规律。

典型的T型管夹带进程如图2所示。主夹带过程结束后，热管段内液位较低（图2a），随着液位的不断上升，液滴或较小的液柱开始从气液界面分离，液滴开始从支管夹带出去（图2b）。热管段内液位继续升高，液柱开始从支管夹带出去，DP-3信号明显升高。支管下方锥形波形成，此即次夹带（图2c）。这种夹带过程呈现明显的间歇性，夹带率较小，对液位影响较小，因此热管段内液位继续升高，直至主夹带发生。液弹首先在支管左侧形成（图2d），随即传播到支管右侧（图2e）。在两端进口气相推力的挤压作用下，液弹在支管上、下游间快速振荡。在振荡过程中，液弹每次经过支管下方时，大量水会涌入支管并被气相从支管携带出去。主夹带过程结束后，热管段内液位显著降低，夹带过程最终停止（图2f），单次夹带周期结束。

在一定气相流量下，主夹带发生的频率随液体注入流量的增加而增大。DP-3和相应的热管段液位随时间的变化如图3所示。图3中几处峰值超过1 500 Pa的DP-3压差尖峰分别对应不同的主夹带过程。从图3可看出夹带过程呈现明显的周期性，夹带平均周期为32 s。

图2 T型管夹带进程Fig.2 Tee branch entrainment process

图3 压差和液位随时间的变化Fig.3 Pressure difference and liquid level vs.time

3 结果和讨论

3.1 夹带起始

将夹带起始数据、现有数据和模型进行对比。不同夹带起始数据的比较如图4所示。从图4可看出，热管段无量纲夹带起始高度HL／D随热管段气相弗劳德数FrD（即惯性力与重力之比）的增加而减小，本文试验数据和其他数据有着相同的趋势。本文试验数据与文献［10］的结果相差较大，在相同的无量纲热管段液位下，文献［10］中达到夹带起始时需要的气相流量更小。这是由以下两个原因造成：文献［10］中热管段末端直接用盲端法兰封闭，水波撞击到盲端法兰后反射，促进了夹带的发生；文献［10］中利用目测液滴产生的方法判断夹带起始，因此夹带起始在更低的液位。文献［9］中的ATLATS与ADETEL的工况相似，ATLATS中的d／D较小，支管处的伯努利效应更加显著，因此在气相流量相同的工况下可在更低的热管段液位下发生夹带起始。

将夹带起始数据和相关模型的计算结果进行比较，结果如图5所示。从图5可看出，夹带起始数据和现有模型存在较大差距。Smoglie等［5］与Schrock等［6］的模型相近，在某一气腔高度下，夹带起始点对应的支管弗劳德数Frd较低。值得一提的是，Smoglie等开发的夹带起始模型被RELAP5／MOD3.2［15］所采用，因此，RELAP5不能准确估算大d／D几何结构下的双端进气夹带起始工况。Welter等［9］开发的模型是建立在假设ADS-4支管上、下游进气流量相等的条件下，试验数据和模型的差距可能归因于d／D的不同。

图4 不同夹带起始数据的比较Fig.4 Comparison of different data for onset of entrainment

图5 夹带起始数据和相关模型的比较Fig.5 Comparison of experimental data for onset of entrainment and correlating models

3.2 夹带率

将夹带率试验数据与现有数据和模型进行比较。3种不同气相流量下支管含气率和无量纲气腔高度的关系如图6所示，其中ADS-4支管含气率x3表示为：

图6 不同气相流量下的含气率Fig.6 Quality under different gas flow rates

从图6可看出，在相同的无量纲气腔高度下，气相流量对支管含气率影响很小，支管含气率随无量纲气腔高度的增加而增大。当x3较小时，气腔高度随x3的升高而显著增大，在x3较大时增长趋势减缓。因此，在热管段内液位较低时，夹带水量随液位的降低而迅速减小。

夹带率试验数据与RELAP5夹带率模型的比较如图7所示。夹带率模型基于双端进气的假设。从图7可看出，夹带率模型和Smoglie等［5］、Schrock等［6］的数据吻合良好。虽然本试验和文献［9］中d／D相差较大，但数据和模型吻合较好，模型预测相对误差在20%以内，因此文献［9］的夹带率模型能较好地估算AP1000中ADS-4双端进气夹带率工况。

图7 夹带率试验数据与夹带率模型的比较Fig.7 Comparison of experimental data for entrainment rate and correlating models

3.3 夹带频率

图8 夹带率与夹带周期的关系Fig.8 Relationship between entrainment rate and period

夹带率和夹带周期的关系如图8所示。每一夹带周期包含主夹带和次夹带。从图8可看出，主夹带频率随夹带率的增加而增大。在低夹带率范围内，夹带周期随着夹带率的增加而迅速减小。随着夹带率的增加，夹带周期最终稳定在3 s左右。夹带率和每周期内夹带质量的关系如图9所示。从图9可看出，不同夹带率下每周期夹带质量相互接近。当气相流量为0.078 m3／s时，平均每周期夹带质量为3.79 kg，相对偏差为15%。

图9 夹带率与每周期夹带质量的关系Fig.9 Relationship between entrainment rate and entrained liquid mass per period

4 结论

以AP1000为原型，进行了双端进气工况下ADS-4夹带起始和夹带率可视化试验，观测到了大d／D几何下双端进气夹带特有的试验现象，稳态夹带过程呈现明显的周期性。夹带率试验中观测到了主夹带和次夹带两种类型的夹带，次夹带中支管下方会有锥形的气液界面形成，液体从锥形波顶部被气流夹带至支管。主夹带中液弹会在支管上游或下游形成并在支管上下游之间震荡，液弹随夹带过程逐渐减小并最终消失。

将试验数据与已有数据和模型进行了比较。由于气相进口工况及d／D等因素的区别，试验数据与已有数据和模型存在较大差距，RELAP5不能准确估算双端进气下大d／D结构下的夹带起始工况，气相流量对支管夹带率影响较小。当热管段内液位较低时，夹带水量会随着液位的降低而显著减小。文献［9］夹带率模型能较好地估算AP1000结构下的ADS-4双端进气夹带率。在低夹带率范围内，夹带周期随夹带率的增加而迅速减小，随着夹带率的增大，减小速率逐渐降低并最终稳定在约3 s。不同夹带率下，每周期的夹带质量接近。

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Experimental Investigation of Tee Branch Entrainment with Double Gas Inlets

XIANG Yan1，SUN Du-cheng1，ZHANG Jing1，LIU Jian-chang1，
WU Ying-wei1，ZHANG Peng2，QIU Sui-zheng1
（1.School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；
2.Beijing R＆D Center of State Nuclear Power Technology Corporation，Beijing 100190，China）

The ADS-4 depressurization and entrainment test loop（ADETEL）scaled after AP1000 was constructed to investigate the tee branch entrainment process.The experiment which consists of the onset of entrainment and entrainment rate was accomplished under the double gas inlets conditions.The entrainment process was recorded by a high speed camera and analyzed in detail.The experimental data were obtained and compared with existing data and correlations.The results show that relatively large discrepancies exist in the comparison due to the differences of test section geometric configuration and test condition.The entrainment frequency was investigated in the experiment.It indicates that the entrainment period declines dramatically with the increase of entrainment rate at the low entrainment rate.At the high entrainment rate，the entrainment period gradually stabilizes.

double gas inlets；onset of entrainment；entrainment rate；visualization

TL333

：A

：1000-6931（2015）09-1586-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1586

2014-04-30；

2015-04-15

大型先进压水堆核电站重大专项资助项目（2011ZX06004-007）

向 延（1991—），男，湖北武汉人，硕士研究生，核科学与核技术专业