窄矩形通道内环状流周期性携带特性研究

金光远,赵珂欣,王 睿,白镜湖,杜利鹏,张文超

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院,吉林省 吉林市 132012;(2.东北电力大学 热流科学与核工程实验室,吉林省 吉林市 132012)

气液逆向流动现象广泛存在于核电厂系统、制冷设备、立式冷凝器、自然循环热管等工业应用中,对相关系统工作稳定性和设备可靠性提出较高要求[1]。核电厂发生破口事故时,系统中产生气液逆流的位置主要位于堆芯冷却剂流动通道、一回路热管段和反应堆压力容器环形下降通道处。其中,反应堆内棒束流动空间由于破口事故引发严重冷却不足现象,气相向上强迫流动,液相因重力下降,存在两相间复杂的剪切、搅浑和携带作用,发生两相逆流限制现象[2-3]。上述过程导致堆芯传热进一步恶化,将危及燃料棒完整性,影响失水事故后的安全注射功能。同时,由于燃料棒组形态(圆形、矩形、花瓣形等)的不同,使得堆芯棒束流动空间内发生两相逆流时的界面波动特性、液滴携带特性等也有差异。

国内外学者针对反应堆相关系统内气液逆流现象开展的研究集中于液泛现象演变过程记录、初始携带点及携带份额、液泛特征点对应条件和携带模型预测等方面,其中,窄矩形通道内液泛现象和携带特性近几年受到更多学者关注。Vlachos等[4]对间距为5 mm和10 mm的矩形通道内淹没行为进行记录,对淹没起始条件与通道尺寸之间的关系进行了深入分析,结果表明淹没发生对应液膜雷诺数为500。李希川等[5]对尺寸为50 mm×5 mm截面的矩形流道内液泛特性进行了研究,结果表明液泛起始点符合Wallis关系式,完全携带点只与气体流量大小有关,流向反转点与试验段壁面干燥程度有关。Song等[6]引入特征长度、两相流动通道等概念,建立数学模型对矩形通道内淹没特性进行了预测。Kim等[7]结合通道尺寸、欠热度和质量流量参数给出了含有下降流动时矩形通道内的CHF计算公式,预测效果良好。鉴于学者针对窄矩形通道内气液携带过程研究尚未形成完整的研究体系,对不同气液状态和管道结构条件下的携带机理研究不深入,本研究针对气相速度尚未达到完全携带能力、液相周期性下降和携带上升的下降环流区域,运用高速摄影技术记录截面为40 mm×3.5 mm的窄矩形通道内环状流周期性携带现象,对其行为特点、发生条件和携带机理进行深入探究。

1 实验介绍

考虑到新一代小型反应堆对板状燃料元件单通道的需求,本研究开展实验所涉及的窄矩形流动通道采用有机玻璃紧密粘贴并打磨完成,其尺寸分别为长边2 000 mm、宽边43 mm、高边3.5 mm。为了防止有机玻璃的挠性变形,在距离实验段进出口350 mm处安装定位架。实验段放置台架和高速摄影系统台架均进行了竖直和水平校正。

在常温常压条件下,空气和去离子水作为两相工质流入上述窄矩形通道,通过调节流量使其形成竖直向上环状流动工况,整体实验系统如图1所示。空气由开式空气供应系统提供,采用活塞式气泵压缩空气后存入大容量储气罐中,实验时储气罐内空气经过减压阀和止逆阀进入均流器与液相混合。鉴于实验所需气相流量较大,为保证储气罐出口压力和流量恒定,提前设置好活塞式气泵开启压力,当储气罐压力低于0.4 MPa时自动向储气罐输送空气。闭路水循环系统提供实验所需去离子水,并储存于水箱,实验时由离心泵提供驱动力,流经过滤器,通过调节阀调节实验流量,进入均流器与气相形成实验工况。考虑到窄矩形通道对两相流动的束缚作用,为了保证气液尽早形成良好交混效果、两相速度均匀进入实验段,实验段进口处设置均流器,内部紧密布置多根均流细管。两相环状流经过透明实验段利用高速摄影仪进行行为记录,最后到达上方气水分离装置,空气直接排入大气,液相回流至水箱形成闭式循环。

图1 实验系统示意图

高速摄影仪布置于高速摄影水平台架上,正对窄矩形通道宽边中心,主要作用是拍摄和记录环状流中的气液界面波状结构演变规律和周期性携带特性的演变过程,背光选用均匀板状光源,布置在通道背面,与高速摄影仪处于同一高度。结合图2所示的实验工况与流型图(jl为液相折算速度,jg为气相折算速度),在实际操作时先保持液相流量不变,逐渐向实验段内增加气相流量,通过高速摄影系统观察,待实验段内形成环状流周期性携带时保持气液流量不变,进行视频数据记录和保存。根据拍摄的气液工况的不同,高速摄影仪最大能拍摄每秒2 000帧的动态图像,采集时间为10～20 s。

图2 实验气液工况与流型图

实验过程中还需获取气相和液相流量参数以及环状流压降数据,水流量和气流量分别采用不同质量流量计测得,精度分别为0.1级和0.2级;两测压点设定在距离进出口500 mm处,所用压力传感器量程均为100 kPa,精度为0.1级;流量和压差数据实时同步通过NI数据采集系统获得,实验结束后所有数据统一存入移动硬盘中。

2 高速摄影图像的处理、理论分析与误差分析

高速摄影视频数据处理的目的主要是通过周期性携带演变过程分析其形态变化机理,同时结合气液界面波状结构行为分析其液膜受力特性,深入挖掘其周期性携带特性变化的原因。视频图像处理过程如下:1) 获取高速摄影图像数据的原始图像,通过原始图片分割技术获取600像素×450像素的基本图片,设定好输出时间间隔,得到该气液工况下的1组基本图片,同时记录该图片对应的测量时间,以供观测和定义周期性携带的特征现象和时长;2) 由于拍摄的是两侧上升的环状流动时域图片,首先通过裁剪、旋转(和镜像)处理等获得波状界面行为图片,通过设定灰度阈值辨认气液相边界(包括波状界面和气泡边界);3) 通过膨胀、收缩和闭合等图像处理技术固化气液边界,以获得清晰、连续、固定宽度的边界值;4) 进行液膜部分顶层和底层的分割,主要是先剥离顶层包状(或带状)结构,在该波状结构的最低点做平行于壁面的平行线,即为顶层与底层液膜的分割线;5) 进行特征量识别,主要获取波状结构频率、液相顶层和底层瞬时速度等重要参数。

高速摄影图像处理过程与理论分析过程如图3所示。

图3 高速摄影图像处理过程与理论分析

考虑到实验中高速摄影仪拍摄视场大小和拍摄帧数设置,其自身长度辨析误差始终低于0.7%,实际架设位置以及拍摄过程的视深相对误差小于0.6%;为了较准确地获知液膜厚度数据,采用可变灰度阈值法对气液界面进行处理分析,在实验中采用实验段进出口速度和静态边界辨识等方法对该处理办法进行验证,图像处理技术固化边界的误差经计算为0.7%～1.2%。综上,高速摄影系统获取图像数据的总误差低于2.5%。

3 结果分析

3.1 环状流周期性携带特性行为特点

实验中在给定气液流动工况条件下可以观察到窄矩形通道内环状流周期性的携带过程,分析结果表明每个周期由携带起始区、完全携带区、液膜反转区和液相下行区4个过程组成,流动工况为液相折算速度0.185 m/s、气相折算速度4.430 m/s时,约1个周期内环状流携带行为示意图示于图4。为更好表达液膜高度与通道尺寸之间的比例关系,定义无量纲相对液膜高度为实验中捕捉到的液膜高度与窄矩形通道宽边尺寸(43 mm)的比值,据此定义分析每个携带过程的特性。

1) 携带起始区(约0～59 ms)

携带起始区开始于管道中心出现高速上升的一团两相混流团,该微团与液膜瞬时产生剧烈剪切作用,微团快速通过高速摄影视场向上运动,原本下降的液膜得到较大上升加速度,在较短的时间内流向反转。在携带起始区相对液膜高度为0.07～0.12(均为液相底层),两相微团经过前后液膜波状结构波动幅度较低,气液界面变形不明显,未发现界面扰动波在该区域内经过。该区域液膜表观形态整体趋于竖直状,可以认为气液交互作用大部分通过剪切受力方式实现。

2) 完全携带区(约59～274 ms)

受中央高速上行气芯剪切力作用,携带起始区内所有液膜均开始向上运动,环状流进入完全携带区。完全携带区的判定通过液膜中微小气泡的速度方向得到,当所有小气泡运动方向均向上即可认为进入完全携带区。液膜主要存在两种流动行为:一种是稳定的小尺度波状结构,其相对液膜高度不超过0.12,沿壁面向上低速运行;另一种称为界面扰动波,指在近壁面的波状结构基础上产生的少量厚度较高、无明显规律的界面扰动波状结构,波状结构上存在包状或带状形态,有时甚至出现液相脱离液膜进入气芯主流中,称为带状破碎波。

3) 液膜反转区(约274～354 ms)

中央气相携带能力略有下降,近壁处液膜虽保持上行方向,受自身重力影响,液膜上行速度逐渐减小直至为0。液膜反转区中观察到的波状界面结构偏转方向与完全携带区有差别,完全携带区波状界面偏转方向均为向上,在液膜反转区偏转方向存在向上和向下两种。随着液膜上行速度逐步降低,包状或带状的波形结构数量逐渐减少直至消失。

4) 液相下行区(约354～469 ms)

上行液膜速度降低为0,整体环状流进入液相下行区,液相主要受到自身重力影响使得流动方向开始反转。液膜波状结构变形不明显,均为小尺度波状结构,平均高度较携带起始区低。液相下行区维持至中央高速上升的两相混流团经过,环状流重回携带起始区域。

3.2 环状流周期性携带行为时间变化规律

对实验涉及到的含液相下降段的环状流工况(气液折算速度见图2)的不同周期性携带行为进行时间统计,低液相流速和高液相流速区域内完整携带周期的数值及不同携带行为占比示于图5。

a——低液相流速区域(jl=0.185 m/s);b——高液相流速区域(jl=0.369 m/s)

实验结果表明,当液相流速较低时,环状流携带周期随气相折算速度升高略有增加,当液相流速较高时,携带周期则随着气相速度的增加而减小。分析原因主要与气芯对液相的携带能力有关,当液相速度较低时,处于液相顶层(图3)的液体较少,使得气相与液相的交混容易实现,因此携带周期随气相的增加而增加,当液相速度较高时,液相处于液相顶层的份额增加,与气相交混作用增加,对携带产生抑制作用,导致携带周期减小。通过对不同周期性携带行为占比的分析可以得到,随着气相折算速度的增加,完全携带区时间占比逐步增加,液相下行区时间占比逐步减小,直至进入完全上升环状流形态;低液相流速区域中,随着气相速度的增加,携带起始区数值略有增加,液膜反转区数值变化规律不明显,高液相流速区域中,随着气相流速的增加,携带起始区和液膜反转区的数值都相应减小。

3.3 周期性携带行为机理分析和完全上升工况判定条件

根据前文所得结论,结合图3进行窄矩形通道内周期性携带行为机理分析。结合文献[8]中关于通道内共同上行流动的两相环状结构,受重力向下拉动产生液膜反转现象判定标准和理论,环状流中液相主要有3种表现形式,即液相底层、液膜顶层和气芯夹带雾状或滴状结构,其中,液相底层波动幅度较小,且与周向固体壁面直接接触面积较大,主要受液膜顶层和壁面影响,效果明显,因此其结构较为稳定;液膜顶层是与中央高速上行气芯直接作用的液相结构,参考Pham等[9-10]对棒束流通结构的环状流实验中观察到的典型包状卷吸和带状卷吸以及液相丧失现象的理论分析,受中央气相湍动影响,液膜表面法相受力产生突变,传递到壁面将产生反向作用,作用的结果是使液相顶层产生一个扰动波,当扰动波高度到达一定程度后则进入到气芯核中,变为雾状或液滴结构。文献[11]对界面波特性的研究也得到类似结论,他们通过功率谱剖析其压力信号变化特点,得到了包状、带状以及液相丧失所对应的功率谱能量值。

考虑到文献[9-11]对棒束通道的波状界面的理论分析,结合窄矩形通道特点,气液两相在窄矩形通道束缚作用下使得液相顶层保留的厚度增加,气芯和液相的界面作用得到充分体现,这加大了在窄矩形通道内的周期性携带时间,同时含有液相下降的工况范围也增加。同时,针对棒束通道的环状流现象中也未提及液膜下降段的描述,结合文献中关于液膜厚度的相对高度分析可以得出,窄矩形通道存在的自发周期性携带现象的根本原因是通道结构对液相顶层的“保护”作用。

为进一步判定环状流工况中含液相下降段和完全上升段的转换边界,引入多尺度排列熵的分析方法对实验段环状流压差信号进行处理,周云龙等[12]验证了多尺度熵分析方法能够很好在线实现7×7棒束通道中两相流流型判定,本研究将排列熵应用于多尺度熵计算中,以通过相空间的向量排列实现不同尺度条件下系列复杂度和系统动力学特性的更好分析。图6示出液相折算速度为0.185 m/s时,不同气相折算速度条件下的多尺度排列熵分析结果,当气相折算速度小于4.430 m/s时,整体环状流排列熵在0.34处上下波动,呈现无序状;当气相折算速度高于5.316 m/s时,随着气相速度的增加,整体排列熵逐步降低。

图6 不同形式环状流压差信号的排列熵分析示意图

结合文献[12]中的结论,熵分析能够体现出两相流相互作用整体的无序状态或界面波动剧烈程度,本研究所涉及的工况均为环状流,整体排列熵特性除了在低尺度条件下略有增加外,其余尺度范围均变化不大,分析原因是在窄矩形通道内,环状流中的气液形态较弹状流和搅混流等流型简单;在含液相下降部分区域,环状流的压降波动受周向液膜波动和周期携带共同作用,导致整体排列熵特性随气相速度的增高呈现无序状,当环状流处于完全上升状态时,压差信号则仅受周向液膜波动支配,气相速度的增加,使得液膜厚度降低,波动幅度也降低,整体呈现排列熵降低的现象。通过对其他液相工况多尺度排列熵结果分析也可得到相同结论,因此可以将多尺度排列熵的“无序”向“有序”的转换点作为含液相下降段和完全上升段的判定条件。

4 结论

本研究针对43 mm×3.5 mm窄矩形通道中空气-水环状流周期性的携带过程进行了记录与分析,针对不同区域时间变化规律,对其形成机理进行了分析,研究了利用多尺度排列熵判定含液相下降段和完全上升段转换点的可行性,相关结论如下。

1) 实验中观察到窄矩形通道内环状流周期性的携带过程,每个周期由携带起始区、完全携带区、液膜反转区和液相下行区4个过程组成。

2) 当液相流速较低时,环状流携带周期随气相折算速度的升高略有增加,当液相流速较高时,携带周期则随着气相速度的增加而减小。随着气相折算速度的增加,完全携带区时间占比逐步增加,液相下行区时间占比逐步减小,直至进入完全上升环状流形态;低液相流速区域中,随着气相速度的增加,携带起始区数值略有增加,液膜反转区数值变化规律不明显,高液相流速区域中,随着气相流速的增加,携带起始区和液膜反转区的数值都相应减小。

3) 当气相折算速度较小时,整体环状流排列熵呈现无序状;当气相折算速度较高时,随着气相速度的增加,整体排列熵逐步降低,因此可以将多尺度排列熵的“无序”向“有序”的转换点作为含液相下降段和完全上升段的判定条件。