矩形窄缝通道入口堵流的PIV实验研究

姚维一，曲文海，熊进标，张滕飞，柴　翔，刘晓晶

矩形窄缝通道入口堵流的PIV实验研究

姚维一，曲文海，熊进标*，张滕飞，柴翔，刘晓晶

（上海交通大学核科学与工程学院，上海 200240）

板式燃料元件堆芯结构紧凑，传热效率高，但燃料板间窄缝通道易发生堵塞事故，造成局部传热欠佳。针对矩形窄缝通道入口堵流，利用粒子图像测速技术（PIV）开展常温常压不同雷诺数下（2 400～9 600）25%堵塞份额的流场测量实验。分析堵塞体下游时均速度场、涡量场、脉动速度场，探讨入口堵流对窄缝通道内流场特性的影响和雷诺数效应。研究发现，入口堵流下游流场可分为主流区、剪切层、回流区、低速区、再附区、恢复区。与主流区相比，其他区域流速低，剪切流动在回流区内产生一对漩涡，再附区后流动逐渐趋向于稳定，高湍流脉动速度与高雷诺剪切应力主要分布于剪切层和漩涡中，流动雷诺数效应显著，随着雷诺数增大，回流区、低速区高湍流强度区域面积增大，再附区、再发展区向下游移动。

矩形窄缝通道；入口堵塞；粒子成像测速；流场分布

板式燃料元件结构紧凑、传热效率高、燃耗深，广泛应用在一体化反应堆和研究堆中[1-4]。然而，辐照肿胀或异物等容易引发矩形窄缝流道堵塞，通道内冷却剂流量降低甚至蒸干，导致传热恶化温度升高，严重情况下燃料板熔毁，威胁反应堆安全[5]。1965年美国橡树岭国家实验室（ORNL）研究堆以及1975年比利时核研究中心（SCK·CEN）BR2研究堆曾发生堵流事故，异物堵塞于通道入口处分别导致多块燃料板局部熔化[6,7]。因此，有必要对矩形窄缝通道入口堵流进行研究。

多名国内外学者[8-11]应用系统程序研究95%或100%高堵塞份额的入口堵流事故，结果表明100%堵塞率下反应堆换热急剧恶化导致燃料板熔化。Fan等人[12]应用计算流体动力学（CFD）方法模拟单通道入口90%堵塞份额的堵流事故，流道入口高速射流产生的强剪切流动在堵塞后方形成主副漩涡，发生局部传热恶化。Ma等人[13]对六个并联矩形窄缝通道堵流事故进行CFD模拟，发现堵流通道内阻力增大引起流道内射流和逆流，最高温度升高。Guo等人[14]对单通道入口30%～70%堵流事故进行CFD模拟，发现堵流份额64%时冷却剂温度达到饱和温度。Sparrow和Cur[15]以空气为工质进行了25%、50%单通道入口边缘堵流实验，研究传热传质特性，并利用油烟技术对流动进行可视化，发现堵塞体后出现狭长的回流区，区域内传质系数很低。Stovall等人[16]对单通道入口堵流事故进行了激光多普勒测速技术（LDV）实验研究，在不同热流密度、流量、堵塞位置和堵塞份额（边缘堵塞10%、25%，中心堵塞35%、40%）下，测量了壁面温度和流场，发现堵塞体下游出现低速区，导致局部传热恶化。

然而，矩形窄缝通道堵流事故系统分析和CFD模拟仍缺乏高质量实验数据加以验证，其主要原因是矩形窄缝通道结构紧凑，难以测量。而LDV单点测量难以获得高空间分辨的全流场数据。鉴于此，本文针对25%入口边缘堵塞的矩形窄缝通道流动开展PIV实验，以获取高质量的全流场数据，并探讨常温常压不同雷诺数下入口堵塞对流动特性的影响。

1　实验装置

图1（a）所示为本文采用的流场测量实验平台，实验段竖直布置。流经实验支路的流量通过实验支路电动调节阀和旁通支路调节。在实验支路设置了电磁流量计（量程0.02～2.5 m3/h，精度0.5级）。实验段四面均为有机玻璃视窗以保证全流场可视化测量，通过不锈钢框架固定保证通道尺寸。矩形窄缝通道截面宽边长=70 mm，窄边长=2 mm，通道长1 400 mm。定义通道长边方向为方向，主流方向为方向，且堵块上表面的流道左端（无堵塞端）为坐标原点，以便于下文讨论。如图1（b）所示，25%堵塞份额的堵塞块（占据长边的25%，即/∈［0.75，1］）安装于流道进口边缘处。

图1　实验回路、实验段和坐标系

本文实验采用的PIV系统设备采用北京镭宝Vlite-Hi-30 K高频双脉冲激光器（30 mJ@ 1 kHz）以及美国Phantom VEO-710L高速相机（全画幅7 400 Hz @1 280×800 pixel）。通过DANTEC的同步器控制高频激光和高速相机实现同步，PIV系统控制和数据采集分析基于DANTEC Dynamic Studio完成。实验中PIV系统的布置如图2所示。

图2　PIV布置图

正式实验前，通过标定实验获得图2所示光路条件下的图像放大倍数，并保证实现流道宽度全覆盖测量。依据参考文献［17-19］提供的误差和不确定性分析方法，开展互相关算法、测量频率、判读区尺寸和脉冲延迟时间等PIV参数的敏感性分析，确定了最佳参数配置，使用自适应PIV互相关算法，判读区尺寸为16× 16。脉冲延迟时间根据四分之一经验准则结合不同测量区域的实际流速进行敏感性分析确定[20]。对瞬时速度场的测量结果进行统计分析，获得平均速度场、涡量和湍流脉动速度等信息。

2　实验结果

本文实验中泵出口压力为0.15 MPa，回路平均温度为35 ℃。采用PIV对0＜＜200区域流场进行测量，实验的雷诺数分别为2 400、4 800、9 600。通过下式计算：

2.1　时均速度场

如图3所示，以=9 600工况为例，入口堵流流动明显分为六个区域：主流区、剪切层、回流区、低速区、再附区、再发展区。流道截面突扩，左侧出现高流速主流区，与堵塞体下游的低流速区之间存在高速度梯度，产生明显的剪切层。剪切层内的强剪切流动在堵块后方产生回流。回流区内出现了一对明显的漩涡，分别为一次回流区和二次回流区。剪切层在再附区接触壁面，随后进入再发展区至流动充分发展。二次回流区与再附区之间存在一个流速极低的区域，中心区域流动近乎静止。

图3　堵块下游时均流场速度矢量图（Re=9 600）

图4所示为=9 600工况下堵塞体下游归一化轴向速度b分布。如图4（a），发生堵塞后，剪切层内出现高速度梯度，轴向速度沿+轴方向先迅速降低，后在二次回流区壁面附近回升，流动方向发生两次改变。低速区内，轴向速度近乎下降至0。图4（b）给出了归一化轴向速度随下游距离增加的演变过程。y=3高度处，轴向速度在堵塞体边缘=0.25附近沿+轴方向迅速下降，=0.2附近轴向速度方向与主流速度相反，出现回流。将强剪切流动速度梯度区域定义为剪切层，其后沿+轴方向直到壁面=1的区域定义为分离区。=12处为低速区端点，分离区内轴向速度发生二次下降，产生速度峰。随着下游高度的增大，速度峰不断向-轴方向移动，速度谷值上升。=22处，分离区内已无明显速度峰，（，）=（8.5，22）处速度梯度为0，将其定义为低速区顶点。=35处，速度梯度由上游的先减小后增大变为单调减小，是由于剪切层不断向+轴方向移动接触壁面所致，定义为再附区的起始点。自=50起，分离区内速度梯度沿+方向无明显变化，定义为再发展区起始点。随着流动的发展，堵塞对流动的影响愈来愈低，轴向速度得到展平，=160处，流动已接近充分发展。

图4　堵块下游轴向速度分布（Re=9 600）

图5所示为=9 600工况下堵塞体下游归一化横向速度b分布。如图5（a）所示，堵塞下游主流区内靠近剪切层处出现高横向速度，靠近入口处出现高速度梯度。回流区内出现两对方向相反的横向速度。图5（b）给出了归一化横向速度随下游距离增加的演变过程。=2处，横向速度沿+轴方向，于=0.6处出现第一个较高的速度梯度，速度到达第一个峰值，该峰值在12≤≤14达到最大，后由于强剪切流动迅速下降至谷值，横向流动速度方向变为-轴方向。随后速度梯度方向改变，速度方向再次变回+轴方向。速度谷值不断增大，分离区内速度峰于=10附近消失，该区域为一次回流区边缘。在=20处，-轴方向横向速度消失，该区域为二次回流区边缘。=160处，横向速度接近于0，流动接近充分发展。

图5　堵块下游横向速度分布（Re=9 600）

图6为入口堵塞下游时均流场涡量图。在堵块下游出现一对明显的漩涡对。在回流区中，受窄缝壁面摩擦力限制，漩涡尺度较小。靠近剪切层的一次涡比二次涡的涡量更大，耗散更快，影响面积更大。

图6　堵块下游时均流场涡量（Re=9 600）

2.2　湍流脉动场

图7　入口附近湍流强度分布：（a）雷诺剪切应力（b）轴向湍流强度（c）横向湍流脉动强度（Re=4 800）

2.3　雷诺数效应

图8给出了各雷诺数下流场归一化轴向速度、横向速度、轴向湍流强度、横向湍流强度分布。如图8（a）所示，各截面轴向速度场数值随雷诺数的升高而下降，表现出显著的雷诺数效应，=8处，=2 400、4 800工况分离区出现速度峰，低速区起始点随雷诺数的升高向下游方向移动。低速区顶点、再附区起始点、再发展区起始点同理。如图8（b）所示，=8处，=9 600工况分离区内出现速度峰，=2 400、4 800工况分离区内速度峰已消失，一次回流区边缘随雷诺数的升高向下游移动。二次回流区边缘同理。可以得出结论，流动主流区以外的区域面积随雷诺数的升高而增大。图8（c）、（d）比较了各雷诺数下湍流强度差异，比较发现归一化湍流脉动速度均方根大小与雷诺数无明显关系，各截面峰值随着雷诺数升高向-轴方向移动，高湍流强度区域面积随雷诺数升高而增大。

图8　流动雷诺数效应

3　结论

本文采用PIV技术对雷诺数2 400～9 600，边缘25%堵塞份额的入口堵流进行全流场测量，研究堵塞下游湍流特性，结果表明：

（1）矩形窄缝通道入口堵塞下游流场分为六个区域：主流区、剪切层、回流区、低速区、再附区、再发展区。回流区中，由于强剪切流动，一次回流区耗散更快，面积小于二次回流区，但涡量更大。

（2）高湍流脉动速度与高雷诺剪切应力主要分布于剪切层和漩涡中，并且随着流动发展迅速衰减，二次回流区内湍流耗散较慢，高湍流强度区域面积较大。

（3）雷诺数效应显著。随着雷诺数升高，剪切层影响范围增大，一次回流区、二次回流区、低速区面积增大，再附着区、再发展区向下游移动，高雷诺数区域面积增大。

入口堵流通道中的流动速度及湍流脉动分布会影响通道的传热性能，对堵流事故传热恶化机理研究具有一定的意义。本文将为板式燃料元件堵流事故系统程序及CFD最佳实践导则开发与验证提供高分辨率精细实验数据。未来关注重点将是堵塞份额对流场的影响以及高温高压实验研究。

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PIV Flow Measurement in a Rectangular Narrow Channel with Inlet Blockage

YAO Weiyi，QU Wenhai，XIONG Jinbiao*，ZHANG Tengfei，CHAI Xiang，LIU Xiaojing

（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

Plate-type fuel assembly leads to high heat transfer efficiency and consequently compact cores. However，the rectangular narrow channel between fuel plates is prone to get blocked，which results in local heat transfer deterioration. Particle image velocimetry（PIV）technique is employed to measure the velocity field in a rectangular narrow channel with 25% inlet blockage area at different Reynolds number（2400-9600）at room temperature and pressure. Distribution of mean velocity，vorticity，turbulent fluctuation velocity is analyzed downstream of the blockage in order to investigate influence of inlet blockage on the flow field and the Reynolds number effect. It is found that in a rectangular narrow with inlet blockage the flow field can be divided into six regions：main flow region，shear layer，recirculation region，reattachment region，low velocity region and attached or recovery region. Comparing with the main flow region，the other regions have lower flow velocity. Shear flow produces a pair of eddies，and flow gradually stabilizes after reattachment. The flow has great Reynolds number effect.

Rectangular narrow channel；Inlet blockage；Particle image velocimetry；Flow field

TL334

A

0258-0918（2021）05-1016-07

2020-05-06

姚维一（1996—），男，江苏南通人，硕士，现主要从事核科学与工程相关研究

熊进标，E-mail：xiongjinbiao@sjtu.edu.cn