球床反应堆内气—液两相流压差波动信号时域特性研究

赵忠南

【摘 要】在新型球床反应堆中涉及到气-液两相流。对于球床反应堆内气-液两相流动特性研究而言，不同的流型具有不同的水动力学和传热特性，研究并识别球床反应堆气-液两相流流型对于球床反应堆的设计和运行是十分重要的。本文对两相流压差波动信号进行时域分析，其结果表明不同流型所对应的压差波动信号具有不同的时域特征。在实际工况下可以对压差波动信号进行时域分析，来指导球床反应堆内气-液两相流的流型识别。

【关键词】两相流；球床反应堆；时域特性；小波分析

0 前言

在新概念核反应堆堆型的研究中，寻求微球形燃料元件与轻水反应堆（LWR）的结合[1]，实现反应堆良好的经济性和固有安全性等技术优势，已经成为近十多年来新概念堆型研发的重要方向之一。球形燃料元件具有安全性高和体积释热率大的优点，而水冷堆的技术已经很成熟，实现这两种技术优势的结合已经成为近年来球形燃料元件应用探索的重要方向之一。Grishanin[2]指出水冷微球床反应堆与传统燃料元件反应堆相比有明显优势。在微球床反应堆中，燃料球致密排列，充满整个元件管，冷却剂流经微球形燃料元件堆积形成的球床孔隙流道。对于沸水堆或直接过热的反应堆，堆芯内冷却剂经历由单相到两相、甚至过热蒸汽的全过程，这个过程中存在着微球床多孔通道气-液两相流动。

不同的流型具有不同的水动力学和传热特性，研究并识别球床反应堆内气-液两相流流型对于球床反应堆的设计和运行是十分重要的。

1 实验系统及测量信号的选择

1.1 实验系统介绍

实验装置示意图如图1所示。整个实验装置由实验段、供水系统、供气系统、测量系统和数据采集系统五部分组成。

实验工质为经由气-液混合器混合的去离子水与压缩空气形成的两相流体。实验段由上下法兰盘、取压环、有机玻璃管和玻璃填充球组成。长度为L为1000mm，内径为dc为50mm，为消除进出口效应，进口200mm处设入口测压点，出口100mm处设出口测压点。取压间距ΔL为700mm。装配好的实验段竖直固定在实验台架上。实验段内分别填充直径为8mm的透明玻璃球形成微球固定球床床。

1.2 测量信号的选择

反映流型变化的两相流参数很多，如压力、界面含气率、压差等。本文采用压差信号作为测量参数，主要考虑到以下几点：

（1）大量的研究证明，压差信号的波动与流型的变化是密切相关的，压差信号的波动可以提供流型识别的足够信息[3，4]；

（2）压差信号是两相流实验中最容易获得的信号，采用环室取压对流动没有阻力，不影响流型的变化和观测；

（3）压差信号属于快速响应信号，能够及时反映流型的变化，可以对信号进行有效的频谱分析。

1.3 取压距离的确定

取压距离对获得的压差信号特性影响较大，取压距离过长对压差信号有一定的平均作用，会丧失一定的高频信息；取压间距过短时，测得的压差波动信号则不足以反映流型的变化。研究表明，反映流型变化的压差波动信号为频率低于50Hz的低频信号[5]，结合以上两点影响因素，本文确定的取压间距ΔL为700mm，实验段内径dc为50mm，通过实验观测和后续的数据处理发现所选取的取压间距是合适的。

2 采样频率及样本数据长度的确定

采样频率是实际测量信号过程中必须要确定的重要参数。本文对球床反应堆气-液两相流压差波动信号时域分析，分析表明，压差波动信号的波动频率集中在20Hz以下，因此时域和时域分析对采样频率要求不高。但采样频率不能太低，否则不能反映系统的变化细节，根据奈奎斯特定律，要将采样信号中的信号复原，采样频率必须是信号最高频率的2倍以上。在本实验中，采用128Hz的采用频率，实验结果表明完全可以满足实际要求。

实验采集到的数据样本必须能完整反映两相流的流动状态，数据长度不再会造成信息的丢失。本文水的折算速度最高为0.24m/s，气相的折算速度最高为1.58m/s，在低流速的脉冲流情况下，压力波的传播要通过700mm的取压间距很短，不到1s。基于以上几个数值，必须设定足够的数据长度来反映完整的流型信息。本实验中采样时间定为16s，数据长度为2048点，可以保证低流速情况下获得完整的脉冲流信息。

3 压差波动信号时域分析

本文共采集到气-水两相流对应的5种流型的压差波动信号共计500组。其中泡状流80组和串状流为84组、液柱脉冲流为100组、乳沫脉冲流为210组、环状脉冲流为36组。图2给出的是各流型的压差波动信号的时域特征。

3.1 泡状流

在泡状流中，气泡穿梭于球床反应堆孔隙内，气泡在实验管段内轴向分布均匀。气泡在运动过程中不断与球床反应堆骨架相互碰撞、挤压、变形，并伴随着气泡的破裂和再生。由于存在大量的气泡经历这一过程，必然对实验段的压差产生波动。这种流型在气相流量较小时出现，因此小气泡的能量很小，所导致的压差波动也很小。泡状流动时压差波动很小，没有明显的周期性。

3.2 串状流

随着含气率的增加，原本分散的小气泡开始聚合。受球床反应堆特殊的几何结构影响，不可能形成大的气弹，气泡开始沿着孔隙的延伸方向聚合成长度不等的气串，气串的长度从一厘米到几厘米不等，气串的长度与表面张力有直接关系。气串在运动过程中与球床反应堆骨架碰撞，同样会发生碰撞、挤压、变形、并伴有断裂。由于含气率较泡状流要大，气串的能量要大于气泡，因此对实验段压差波动的影响也要强于泡状流，同时，压差波动信号表现出周期性，周期从0.2s到2s不等，波动幅度很小。

3.3 液柱脉冲流

液柱脉冲流在实验范围内是分布很广泛的一种流型，这种流型是在串状流的基础上进一步增加含气率的基础上产生的。液柱脉冲流的典型特点是整个实验段内分为明显的液柱段和气-液混合段。二者交替通过测压点，由于液柱段的存在，这种流型的结构简单，对压差波动的影响明显，压差波动信号具有明显的周期性，波动周期大约为2/3s，波峰波谷明显。

3.4 乳沫脉冲流

随着截面含气率的进一步增加，液柱脉冲流中液柱的长度逐渐变短，气-液混合段逐渐加长。最终，在气相的作用下液柱被冲开，使整个实验段轴向上完全处于气-液混合状态。由于轴向上含气率分布不均匀，导致此时流动依然以脉冲的形式存在。这种流动状态反应到实验段上就是压差的波动。与液柱脉冲流明显的区别是乳沫脉冲流中由于原来的液柱段中夹杂着气泡，在这种情况下，压差波动信号的波峰和波谷就会变平，也就是在波峰、波谷处不再有单一的峰值，波动周期由2/3s变为约2s，这一现象是由流型的转变产生的。

3.5 环状脉冲流

环状脉冲流是一种充分发展的流型，本次实验中共观测到36组环状脉冲流。与常规管道中的环状流相似，随着气相流量的大幅增加，除填充球表面和实验段壁面粘附着液相外，其余空间被气相携带大量液滴所占据。然而不同于常规管道，球床反应堆骨架的存在阻挡了气-液混合相的顺利通过，液相会在实验段的某处堆积然后在被气相吹散、携带，这就导致压差波动信号出现平稳的过渡段和波峰段。平稳段对应气流顺利通过球床反应堆骨架，而波峰段则对应于液相的堆积导致流动不畅。此时，压差波动信号的波动周期很不稳定，随着气相流量的增加而增加，周期从2s到6s不等。

4 结论

4.1 不同流型的压差波动信号的时域特征在幅值、周期等波动特性方面差别很大。

4.2 针对各种流型所形成的不同压差波动特性，从球床反应堆的特殊结构方面进行了定性的分析。

4.3 通过对压差波动信号进行时域处理所得到的实验结果分析，压差波动信号的时域分析可以用于指导球床反应堆内气-液两相流的流型识别。

【参考文献】

[1]闫晓，肖泽军，等.微球形核燃料元件轻水堆概念的研究进展[J].空泡物理和自然循环实验室年报，2006：1-12.

[2]Grishanin. E， Garner F.A， Shea T.E. Long life nuclear reactor without open-vessel re-fueling， 2005.3：28-35P[J].

[3]Wu H J， Zhou F D. Intelligent identification system of flow regime of oil-gas-water multiphase flow[J]. Ind J Multiphase Flow，2001，27（2）：459-475P.

[4]Jin N D， Nie X B， Ren Y Y et al. Characterization of oil-water two-phase flow patterns based on nonlinear time series analysis[J]. Flow Measurement and Instrumentation，2003，14：169-175P.

[5]Lao L Y， Zhang H J， Li H Q. The relationships between the WVD characteristics of pressure drop and gas-liquid two-phase flow patterns in horizontal pipeline[Z]. ISMTMF98， Beijing， 181-186P.

[责任编辑：汤静]