低流速下涡流二极管单向性实验研究

吴燕华，何兆忠，陈 堃

(中国科学院上海应用物理研究所,上海201800)

低流速下涡流二极管单向性实验研究

吴燕华，何兆忠，陈 堃

(中国科学院上海应用物理研究所,上海201800)

为研究氟盐冷却高温堆(Fluoride-salt-cooled High temperature Reactor, FHR)非能动余热排出系统的控流装置——涡流二极管在低流速下的性能参数，建立了实验装置，测试了在水工质下由3D打印尼龙材料涡流二极管的单向特性，并由实验结果得到相同结构尺寸的涡流二极管在FliBe工质下的压降值。研究结果表明，本文实验流量范围内测得的涡流二极管单向性随雷诺数的增加不断升高，最大值为23。正向流动阻力系数随雷诺数的升高不断降低，反向流动阻力系数随雷诺数的增大先增大后降低。研究结果还表明本文研究的涡流二极管结构不适用于小功率氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统的设计。

氟盐冷却高温堆；非能动衰变热排出系统；涡流二极管；单向性；FLiBe；压降

涡流二极管是一种反向流动阻力大，正向流动阻力小的非能动流体控制装置，类似于单向阀。其结构简单，无运动部件，工作时无需外部控制和动力，因此发生机械故障概率低，可靠性高，易维护。因这一单向流动特性及其特有的非能动特性，涡流二极管被引入FHR的非能动余热排出系统中。当反应堆正常运行时，涡流二极管处于高流阻状态，限制流量的通过，降低堆芯旁路带走堆芯热量。当完全丧失电源的情况下，流向逆转，涡流二极管处于低流阻状态，建立自然循环将堆芯余热排出。在上述两种工况下，涡流二极管内部的绝大部分流动处于低流速下，且其单向性影响非能动余热排出系统的冷却能力。作为非能动余热排出系统的关键设备，需要研究低流速下涡流二极管的性能。

目前，有关涡流二极管的研究主要集中于结构优化[1,4]及动力输送系统领域[5,6]，对于流体控制领域方面的报道很少，尤其缺乏应用于FHR非能动余热排出系统中实际可行的设计及实验数据。因此，为了得到满足非能动余热排出系统流体控制要求的涡流二极管性能参数，有必要建立研究涡流二极管在低流速下单向性的实验装置。因FHR的冷却剂FLiBe有较强腐蚀性及高熔点，直接进行实验难度较大及成本较高，已有文献[7]通过模化分析并数值模拟验证表明可采用较安全及方便的水代替FLiBe研究相同结构尺寸涡流二极管内的单向特性。

因此，本文在自行设计的实验装置上，以水为工质进行了涡流二极管单向性的实验研究，并根据模化获得相同结构尺寸的涡流二极管在FliBe工质下的压降值，可为建立非能动余热排出系统的设计方法提供参考。

1 FHR非能动余热排出系统

FHR是先进的第四代反应堆，集合了四种核能技术的优势：熔盐堆的液态氟盐冷却剂、高温气冷堆的TRISO燃料、快堆的非能动系统与池式结构、火电厂的布雷顿动力循环技术。美国加州大学伯克利分校(UCB)设计的一种900 MWth 410 MWe FHR非能动余热排出系统[8]如图1所示。

图 1 非能动余热排出系统示意图Fig.1 Schematic diagram of [8]

非能动余热排出系统的一个关键设备为涡流二极管：当反应堆正常运行，堆芯热量主要靠一回路系统排出，堆芯旁路中的流体从下往上流，涡流二极管限制了大量冷却剂进入旁路，此时处于反向流动高流阻状态，以阻止非能动余热排出系统带走堆芯热量。同时，少量冷却剂通过涡流二极管将热量通过DHX带至冷却回路的熔盐，防止凝固。当完全丧失电源的情况下，主泵停止运行，非能动余热排出系统依靠自然循环排出堆芯整体热量的2%：堆芯旁路流体流向逆转，从上往下流，由堆芯热熔盐与旁路冷熔盐之间温差所产生的驱动力建立自然循环，此时涡流二极管处于正向流动低流阻状态，需足够的流量通过DHX将堆芯余热带至冷却回路，再由空冷塔排至大气中。靠自然循环排出的余热只是满负荷时运行的一小部分，即通过旁路的流量基本还是很小。在上述两种工况下，非能动余热排出系统中涡流二极管内部的绝大部分流动处于低流速状态，其冷却剂FLiBe的设计质量流量为9.06 kg/s[9]。

根据文献[7]的模化方法，为保证水与FLiBe在涡流二极管内的流动达到相似，需使雷诺准则、欧拉准则分别相等[7]。

(1)

(2)

通过计算，25℃水与堆芯正常工况下和事故工况下600～700℃FLiBe在涡流二极管内的流动要达到相似，则水需要的体积流量为3～7m3/h[7]。

2 涡流二极管

本文采用的涡流二极管实验本体如图2。涡流二极管由三部分组成：切向管、涡腔和垂直管。当流体从切向管进入涡腔形成旋涡，高离心力产生较高的径向压力梯度，即形成较大的压降，此时称为反向流动。当流体从垂直管进入涡腔，形成径向流动，流动阻力很小，基本相当于两个90°弯头的阻力，此时称为正向流动。

图 2 涡流二极管Fig.2 Schematic of the vortex diode

评定涡流二极管性能最常见的参数是单向性E：在相同入口流速下，反向流动阻力系数与正向流动阻力系数的比值：

E=Eur/Euf

(3)

式中，Eur为反向阻力系数；Euf为正向阻力系数。

(4)

式中，ΔP为涡流二极管两端的压降；ρ为流体密度，kg·m-3；Q为体积流量，m3/s； A为切向管与涡腔连接处的横截面积，m2；V为A处对应的流体速度，m·s-1。

3 实验装置

测试涡流二极管性能的实验装置流程图如图3所示。实验回路工作原理为：水箱中的室温水经手动阀2、离心泵分两支路，一路通过旁路阀4流回水箱，另一路进入涡流二极管支路：调节阀5、三通阀6、流量计8/9，从反向/正向流过涡流二极管，再经过三通阀7、手动阀17返回水箱。实验中通过调节阀门5旁路阀4及泵频率改变进入涡流二极管支路的水流量，通过三通阀6和7改变涡流二极管的工作模式：反向流动时三通阀6和7的A、C口打开，B口关闭，以切向管作为入口；正向流动时A、B口打开， C口关闭，以垂直管作为入口。测量仪器连接至PLC控制柜，数据采集的频率为1Hz。实验参数范围如表1。

图 3 涡流二极管性能测试实验装置流程图Fig.3 the schematic of the water loop testing the performance of the vortex diode表 1 回路参数Table 1 Parameters of the loop

参数单位流量m3/h0～9设计压力MPa10设计温度℃0～60

实验中采用的涡流二极管由FORTUS400MC三维打印机制作，材料为黑色尼龙，用标准不锈钢喉箍与管道连接安装在水回路中，如图4。尺寸见表2。

图 4 实验本体Fig.4 Vortex diode made by 3D printer表 2 涡流二极管实验结构参数(mm)Table 2 Structural parameters of the vortex diode (mm)

名称类型符号涡腔内径d150高度h25喷嘴垂直管dA⁃dE⁃dAO25⁃20⁃409圆弧半径RC16切向管dT⁃dTO25⁃409锥角θ5°

4 实验结果及分析

图5为正向流动尼龙材料的涡流二极管两端的流动阻力系数Euf随雷诺数Re的变化曲线。从图中可以看出，Euf随Re的升高不断降低。图6为反向流动时尼龙材料的涡流二极管两端的流动阻力系数Eur随雷诺数Re的变化曲线。从图中可以看出，Eur随Re的增大先增大，在Re为20 000后则不断降低。分析其原因，可能是因3D打印技术本身的工艺致使涡流二极管的结构有微小孔隙，当随着流速增大，腔心压力不断增大，当Re为20 000后涡腔开始变形渗水泄压，从而Eur不断降低。

图5 Euf随Re的变化曲线Fig.5 Plot of Euf vs. Re

图 6 Eur随Re的变化曲线Fig.6 Plot of Eur vs. Re

根据间接测量的不确定度分析，可得Eu的合成不确定度S：

(5)

式中：Xi, (i=1, 2, …, 6): 流量Q，压降Δp，进口压力P1，进口温度T1，出口压力P2，出口温度T2；

ui,: 参数Xi在测量过程中的重复测量误差；

si:参数Xi的测量仪表的示值误差；

根据式(5)计算得到：正向阻力系数合成不确定度的最大值为0.145，而反向阻力系数合成不确定度的最大值为0.632，且随着流速增加，不确定度不断降低。

根据上述实验结果及式(3)即可得到单向性E，如图7。从图中可以看出，涡流二极管的E随Re的增加而增加，在Re为20 000后则增加的速度变慢，目前达到最大值为23。

由本实验测得的在水工质下涡流二极管两端的压降值，根据文献[7]的模化方法计算可得到在FliBe工质下相同结构尺寸的涡流二极管两端的压降值，计算结果如图8和图9所示。

图 7 E随Re的变化曲线Fig.7 Plot of E vs. Re

图8 ΔPf随G的变化曲线Fig.8 Curves of ΔPf vs. G

图9 ΔPr随G的变化曲线Fig.9 Curves of ΔPr vs. G

则本文研究的涡流二极管结构应用于 900 MWth 410 MWe FHR时，在650℃ FLiBe工质流量为9.06 kg/s[9]下正向流动产生的压降为193kPa，反向流动产生的压降为4239kPa。而根据Qiuping Lv[10]的研究，20MWth FHR在正常工况下涡流二极管处于反向流动时设计的两端压降为12463 Pa，事故工况下涡流二极管处于正向流动时设计的两端压降为303 Pa。本文计算结果远远大于20MWth FHR的设计值，表明该实验用的涡流二极管结构不适用于该20 MWth FHR的非能动余热排出系统。

本文3D打印得到的实验本体，其表面相对粗糙，在正向流动与反向流动过程中涡流二极管的流动压降都有所增加，但综合后对性能的影响效果无法预测，还需进一步研究。未来将考虑采用表面相对较光滑的不锈钢铸造实验本体，通过与本文结果对比研究粗糙度对涡流二极管性能的影响。

5 结论

通过对低流速下3D打印的尼龙涡流二极管单向性的实验研究，得到以下结论：

1) 涡流二极管Euf随Re的升高不断降低，Eur随Re的增大先增大后降低。

2) 单向性E随Re的增加不断升高，在本实验流量范围内，最大单向性为23。

3) 本实验流量范围内测得的涡流二极管水工质下的压降值，经模化计算得到相同结构尺寸的涡流二极管在FliBe工质下的压降值，这可为FHR非能动余热排出系统的设计提供参考。并表明本文实验用的涡流二极管结构不适用于小功率FHR的非能动余热排出系统。

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[2] Kulkarni AA, Ranade VV, Rajeev R, et al. Pressure drop across vortex diodes: Experiments and design guidelines[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64 (6): 1285-1292.

[3] 焦磊, 陈枞楠, 吴淳杰, 等. 切向管结构对涡流二极管性能影响的数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2011, (03): 415-418.

[4] 邵森林, 李江云, 邱寒. 提高涡流二极管性能的数值仿真分析[J]. 工程热物理学报, 2011, (06): 953-956. [5] 王乐勤, 孙青军, 焦磊. 涡流二极管泵输送系统性能研究[J]. 工程热物理学报, 2009, 30(09): 1499-1501.

[6] 郭彦华. 核用气动式脉冲液体射流泵和涡流二极管泵性能实验研究[D]. 清华大学, 2004.

[7] 吴燕华，曹 寅，曲世祥，何兆忠，陈 堃.工质替代FLiBe研究涡流二极管单向特性的模化分析[J]. 核技术，2014, 37(11).

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[9] R. Burnett, D. Caso, and J. Tang. Fluidic Diode Development and Optimization[R]. Department of Nuclear Engineering, U.C. Berkeley, May 14, 2010.

[10] Qiuping Lv, Minghui Chen, Xiaodong Sun, et al. Design of Fluidic Diode for a High-Temperature DRACS Test Facility[C]. Nuclear engineering, 2013.

Experimental Study on the Performance ofVortex Diode at Low Flow Rate Condition

WU Yan-hua，HE Zhao-zhong，CHEN Kun

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

The vortex diode is used as a flow control device in the passive decay heat removal system of fluoride salt cooled high-temperature reactor (FHR). To obtain the flow and pressure drop characteristics of the vortex diode in low flow, we carried out a detailed experimental study of a vortex diode fabricated from nylon by a 3D printer in a water loop. And the experimental results are analyzed to obtain the pressure drops of the vortex diode with FliBe at the same structure. The results are as follows: (1) The diodicity of the vortex diode increases with increasing Re in the experimental mass flow range. The maximum of the diodicity reaches 23. (2) With increasing Re, forward flow Euler number (Euf) decreases, reverse flow Euler number (Eur) first increased and then decreased. (3) The vortex diode studied in this paper is not fit for a passive decay heat removal system of the low power FHR.

FHR; Passive decay heat removal system; Vortex diode; Diodicity; FLiBe; Pressure drop

2015-12-10

中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA02050100)、上海市科研计划项目(No.14ZR1448400)资助

吴燕华(1988—)，女，江西人，助理研究员，工学硕士，现主要从事核安全与核技术相关方面的研究方面的研究工作

TL426

A

0258-0918(2016)04-0606-05