螺旋管内两相流动不稳定性的研究进展综述

程 坤 陆雅哲 陈宏霞 吴 鹏 初 晓

（核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

0 引言

浮动核电站是搭载有小型压水堆的海洋船舶装备，具有能源输出高效稳定、清洁环保、机动性好等优点，是解决我国近海岛礁与远海稳定能源供应难题的理想途径[1]。由于船舶载体的内部空间有限，现有浮动核电站设计（如中国ACPR50S、俄罗斯KLT-40S 等）多采用结构紧凑、换热高效的螺旋管直流蒸汽发生器作为反应堆一、二回路间的关键换热设备[2]，其运行稳定性将直接影响浮动核电站的能源输出品质和反应堆安全。

作为直流蒸汽发生器中实现能量传递的核心部件， 螺旋换热管内存在的汽液两相流动不稳定性是直流蒸汽发生器安全可靠运行的重要威胁。 两相流动不稳定性会引起并联螺旋管内流量、 压降和空泡份额等热工参数的大幅振荡， 造成螺旋管发生热应力的交替变化及机械振动， 甚至导致蒸发器传热管破裂（SGTR）等事故的发生。 国内外研究者针对螺旋管内汽液两相流动不稳定性诱发机理、影响因素、不稳定边界及预测技术等开展了大量的理论分析、数值仿真和试验研究。 本文基于公开发表的文献，综述螺旋管内两相流动不稳定性的国内外研究进展和重要成果， 分析过去研究中不足并提出未来研究的相关建议。

1 静态条件下螺旋管内两相流动不稳定性研究

两相流动不稳定性是动力装置热工水力研究领域长期关注的重点问题之一。 Boure 等[3]、Kakac 等[4]、Ruspini 等[5]对各时期的重要研究成果进行综述。 可以发现，过去研究主要关注静态条件下沸腾直管通道内存在的两相流动不稳定性现象，形成了对直管通道内两相流动不稳定性诱发影响机理较为清晰的认知。与之相比，针对螺旋管内两相流动不稳定特性的研究开展相对较少。

对于两相沸腾通道来说，流动压降、沸腾换热、汽泡动力学行为等热工水力特性是影响决定其两相流动不稳定特性的关键因素。螺旋管内流体受到离心力的作用会产生局部二次流、 汽-液两相非均匀分布等特殊现象，造成螺旋管的热工水力特性与直管通道相比存在显著区别[6]。 Naphon 等[7]指出二次流现象（见图1）的存在使得螺旋管内的单相流动行为相比与直管通道更为复杂，螺旋管内单相摩擦压降要明显高于相同流量下的直管通道，且局部二次流的搅混作用能够强化螺旋管的单相流动传热能力。 由于汽-液两相存在较大的密度差异，螺旋管内两相热工水力特性受离心力的影响更加显著。 Murai 等[9]和Sun 等[10]分别采用可视化实验测量和CFD 模拟的方式研究了离心力对于螺旋管内两相分布及相界面结构的影响，研究结果表明受到重力和离心力的作用，液相会聚集在螺旋外侧和底部， 而汽相则会聚集在螺旋内侧和顶部，造成螺旋管周向壁温和局部传热系数的分布不均。Santini 等[11]研究了HCSG 传热管内的单相与两相压降特性， 结果表明两相摩擦压降与流量的1.91 次幂成正比关系，证实了螺旋管弯曲会导致强烈的耗散效应。 Chen 等[12]实验发现与直管存在显著不同的是，螺旋管中过冷沸腾可以在其壁面平均温度小于饱和温度的情况下发生。 Hardik 等[13]利用红外热成像技术研究了螺旋曲率与汽-液密度比率对螺旋管两相沸腾传热系数的影响规律。

图1 螺旋管内局部二次流示意图[8]

鉴于螺旋管与直管通道在流动压降、局部换热系数分布、 沸腾起始点等热工水力特性上存在较大差异，对于螺旋管内两相流动不稳定特性的认知以及直管通道经典流动不稳定性理论对螺旋管的适用性成为研究者们关注的焦点。杨瑞昌等[14，15]以氟利昂12 为介质实验研究了3 根并联螺旋蒸发管内的两相流动不稳定行为， 获得了并联螺旋管内密度波型脉动（DWO）的脉动特征及不稳定边界预测的经验关系式。Guo 等[16]实验发现了水平螺旋管在中、低压条件下存在的三种不稳定性类型：密度波型脉动（DWO）、压力降型脉动（PDO）和热力脉动（THO），并拟合获得描述DWO 发生边界的关系式。 冯自平等[17]在此基础上进一步研究发现低压下DWO 的发生会削弱螺旋管传热能力，螺旋管内脉动时均传热系数的最低值仅为稳定工况下的10%左右。 朱宏晔等[18]通过建立与氦气对流换热的并联螺旋管数值模型，研究了高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器内发生的Ledinegg 流量漂移现象。

依托IRIS 小型堆国际研发项目，Papini 等[19]利用模拟HCSG 热工水力行为的全尺寸实验装置研究了螺旋管特殊形状对两相不稳定性发生边界的影响，结果表明并联螺旋管内DWO 受过冷度的影响规律、脉动周期与输运时间的关系和直管通道经典理论存在明显不同，指出螺旋离心力作用是造成这些差异的重要原因。 Papini 等考虑到螺旋管内特殊的空泡分布及两相压降特性，认为采用与螺旋管等长度、等倾斜角度的直管模型来预测螺旋管内两相流动不稳定边界的方法存在较大误差。

2 海洋条件下两相流动不稳定性的研究进展

与陆基核电厂不同，海上浮动核电站受海面风浪及自身机动的影响，会产生诸如起伏、摇摆等船体运动，造成反应堆系统空间位置的改变，并引入瞬变外力场作用。 一般认为，浮动核电站等船用核动力装置在实海况运行时存在如图2 所示的六自由度空间运动，这些运动形式对核动力系统主要产生两方面的影响：一方面导致系统空间位置的改变，另一方面引入由附加加速度所致的瞬变外力场作用。由于系统空间位置的变化也可近似看作力场作用方向的改变，因此瞬变外力场作用是海洋条件影响核动力系统热工水力特性的关键所在，其中以摇摆运动所致瞬变外力场的影响最为复杂典型且最受关注。

结合马健等[20]、Yan 等[21]和程坤等[22]针对各时期海洋条件热工水力特性研究的综述分析可知，摇摆会造成加热通道内流动阻力、沸腾起始点、换热系数、两相流型、汽泡行为等热工水力特性的改变，而摇摆瞬变外力场所引起的冷却剂非稳态流动波动是导致上述热工水力特性改变的最主要原因。

图2 海洋条件下船体六自由度运动示意图

在摇摆瞬变外力场作用下的两相流动不稳定性研究方面，谭思超等[23，24]实验发现摇摆会造成圆管通道内两相流动不稳定起始点的提前，摇摆条件下特有的波谷型脉动会与密度波脉动会发生叠加耦合，加剧系统的不稳定。 Guo 等[25]研究发现摇摆条件下并联圆管通道内存在两个分别位于高含气率区和低含气率区的不稳定区域。 Wang 等[26]研究了摇摆运动对于高压自然循环工况下棒束通道流动不稳定性的影响，发现系统稳定性会随着摇摆周期和幅值的增加而减小。Yu 等[27]实验获得了摇摆条件下窄矩形通道内强迫循环流动不稳定性的主要类型及演化规律。Tang 等[28]发现摇摆运动对于并联矩形通道强迫循环流动不稳定性界限功率的影响较小。

由于瞬变外力场作用下两相流动不稳定性所表现出的强非线性特点，研究者们尝试将非线性分析方法和混沌理论应用到该领域的研究中。 Guo 等[29]发现采用快速傅里叶变换（FFT）方法可有效评估海洋条件对并联通道不稳定性的影响。 Zhang 等[30]运用混沌时间序列分析的方法研究了摇摆运动系统的流量脉动混沌特性与演变机理。

由以上综述可以看出，当前该领域相关研究主要聚焦于摇摆条件下堆芯燃料通道（如直管、矩形通道、棒束通道等）内的流动不稳定特性，尚无关于并联螺旋管内两相流动不稳定性受瞬变外力场影响机制研究的公开文献报道。

3 海洋条件潜在影响分析

根据目前对于摇摆瞬变外力场影响效应与静态条件下螺旋管内两相流动不稳定特性的认知，可以定性推测摇摆瞬变外力场对并联螺旋管内的两相流动的潜在影响：

（1）并联螺旋管内两相流体受瞬变外力场的驱迫作用会产生不同程度的非稳态流量脉动，造成流动阻力、沸腾传热、两相流型转换等热工水力特性改变，进而影响两相流动不稳定起始点位置和发生边界。

（2）螺旋管内不同位置处两相流体所受摇摆瞬变外力场的切向分力会周期性增强/削弱螺旋离心力的作用效果，如图3 所示,，造成管内局部二次流方向和强度的瞬态变化；特别对于两相流体来说，由于汽、液相间存在质量流速、密度等差异，两者所受的离心力与摇摆附加外力的作用程度不同， 可能会造成管内复杂的相场时空分布特性，引发局部沸腾加剧等现象发生，对螺旋管内两相流动不稳定诱发机理造成潜在影响。

图3 摇摆条件下螺旋管与直管通道受力分析对比

（3）并联螺旋管中摇摆瞬变外力场驱迫造成的同相流量脉动与两相热致流动不稳定性造成的反相管间脉动之间会发生非线性的叠加耦合，引发更为复杂剧烈的热工参数脉动行为，进一步增加螺旋管结构损伤的潜在风险。

基于以上定性推测，可梳理形成如图4 所示瞬变外力场作用下并联螺旋管内两相流动不稳定性的各潜在影响因素间的内在关系。 可以看出，摇摆瞬变外力场和螺旋管的离心力是影响摇摆运动下并联螺旋管内两相流动不稳定特性的两个核心因素，研究明确这两种力场的耦合作用关系是揭示摇摆运动对螺旋管内两相流动不稳定性影响机制、实现不稳定发生边界准确预测的关键所在。

图4 瞬变外力场对螺旋管两相流动不稳定性的潜在影响关系

4 结论

本文基于国内外公开文献，梳理总结了静态条件下螺旋管内两相流动不稳定性的研究进展，定性分析了海洋条件对于螺旋管内两相流动稳定性的潜在影响。 对于研究现状的总结和未来研究的建议如下：

（1）螺旋管所特有的离心力作用是影响其流动稳定性的一个不可忽略的重要因素。现有研究形成了对于静态条件下螺旋管内两相流动不稳定宏观现象特征和关键热工参数影响规律的基本认知，但对于螺旋离心力影响两相流动不稳定性的具体程度和内在机理的认识仍存在较大不足。未来需针对螺旋离心力对两相流动不稳定性的影响程度及影响机理开展深入的研究。

（2）海洋条件所引入的外力场效应对于船用螺旋管直流蒸汽发生器的潜在影响不可忽略，当前相关研究的开展极为有限。 基于定性分析，瞬变外力场和螺旋离心力是影响海洋条件下螺旋管内两相流动不稳定特性的两个重要因素，建议未来可从研究这两种力场耦合作用关系的角度出发，揭示海洋条件对螺旋管内两相流动不稳定性影响机制。