AP1000中ADS-4液體夾帶實(shí)驗(yàn)研究

孟兆明，董 博，丁 雷，傅孝良，田文喜，楊燕華，蘇光輝

（1.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；

2.西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；

3.國(guó)家核電技術(shù)公司 軟件技術(shù)中心，北京 102206；4.國(guó)家能源核電軟件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

AP1000中ADS-4液體夾帶實(shí)驗(yàn)研究

孟兆明1，2，董 博3，4，丁 雷1，2，傅孝良3，4，田文喜1，2，楊燕華3，4，蘇光輝1，2

（1.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；

2.西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；

3.國(guó)家核電技術(shù)公司 軟件技術(shù)中心，北京 102206；4.國(guó)家能源核電軟件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

以AP1000核電廠中自動(dòng)泄壓管線（ADS-4）與熱管段形成的T型結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，開展縮小比例的T型管夾帶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大尺寸支管的夾帶與小尺寸支管的夾帶有明顯差別。分層流情況下的夾帶研究中發(fā)現(xiàn)兩種夾帶機(jī)理；在較低氣相Froude數(shù)及較低氣腔高度時(shí)，容易產(chǎn)生間歇流夾帶；在較高氣相Froude數(shù)情況下，往往出現(xiàn)環(huán)狀流夾帶。此外，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，大尺寸支管中回流現(xiàn)象顯著。支管形狀對(duì)起始夾帶有重要影響，而液體橫流似乎并不影響起始夾帶。

液體夾帶；T型管；ADS-4；可視化

西屋公司設(shè)計(jì)的AP1000核電廠擁有一系列非能動(dòng)安全措施［1］，為了支持AP1000的設(shè)計(jì)開展了一系列的整體效應(yīng)和分離效應(yīng)實(shí)驗(yàn)［2］。NRC針對(duì)AP600和AP1000進(jìn)行的APEX整體性實(shí)驗(yàn)中，使用RELAP5對(duì)堆芯裸露情況進(jìn)行了計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏離。究其原因，主要是由于RELAP5使用的液滴夾帶模型的不準(zhǔn)確與不恰當(dāng)所引起。因此，在反應(yīng)堆小破口事故后期自動(dòng)泄壓管線（ADS-4）打開時(shí)的液體夾帶現(xiàn)象值得關(guān)注。

在20世紀(jì)80年代，Zuber［3］的研究指出LOCA中可能存在液體夾帶現(xiàn)象。隨后，基于反應(yīng)堆一回路LOCA，眾多研究者針對(duì)水平主管分層流動(dòng)下的垂直向上支管的液體夾帶現(xiàn)象展開了實(shí)驗(yàn)研究［4－12］。

現(xiàn)有夾帶研究主要是針對(duì)小尺寸支管（d／D＜0.2，d為支管直徑，D為主管直徑）開展的，對(duì)大尺寸支管情況下的夾帶研究嚴(yán)重不足。為此，本文針對(duì)AP1000中可能存在的ADS-4夾帶現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 空氣-水實(shí)驗(yàn)回路示意圖Fig.1 Schematic of air-water test loop

1 實(shí)驗(yàn)介紹

Schrock等［13］的研究表明，以空氣-水或蒸汽-水做為夾帶實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不大。因此本實(shí)驗(yàn)采用較為經(jīng)濟(jì)且易實(shí)現(xiàn)的空氣-水作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)?？諝?水實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示。通過模化分析確定實(shí)驗(yàn)段及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置分為水路（實(shí)線箭頭）和氣路（虛線箭頭）兩部分。當(dāng)空氣-水兩相流經(jīng)T型管處時(shí)，空氣僅能從支管流出。而一部分水沿主管下游流回水箱，另一部分水則被氣流帶入支管進(jìn)入汽水分離器。

1.1 測(cè)量?jī)x器

關(guān)鍵儀器及其測(cè)量參數(shù)列于表1。除自制設(shè)備外，所有儀器都經(jīng)過第三方標(biāo)定。

表1 儀器及其測(cè)量參數(shù)Table 1 Instrument and parameters

圖2為自制雙平行電導(dǎo)探針液位測(cè)量系統(tǒng)示意圖。探針材料為康銅絲，信號(hào)發(fā)生器為探針提供正弦信號(hào)，后處理電路主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等后處理操作，最終實(shí)驗(yàn)段內(nèi)液位信號(hào)被采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并顯示?？紤]到T型管的主管下游液位可最真實(shí)地反應(yīng)T型管處的夾帶液位，故探針布置于主管下游。

圖2 液位測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 System of measuring water level

自制雙平行電導(dǎo)探針根據(jù)液位與水電導(dǎo)率的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。然而，隨著實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)回路水質(zhì)和水溫將發(fā)生變化，而這一變化將造成水電導(dǎo)率改變，進(jìn)而將影響實(shí)驗(yàn)最初的液位與電導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終引起探針測(cè)量液位發(fā)生偏差。因此，探針在使用之前除需進(jìn)行標(biāo)定外，還需添加參考探針來(lái)消除水質(zhì)和水溫變化對(duì)測(cè)量的影響。

探針標(biāo)定曲線如圖3所示。標(biāo)定結(jié)果表明，靜態(tài)標(biāo)定（恒定水質(zhì)水溫情況下的標(biāo)定）與動(dòng)態(tài)標(biāo)定（變化水質(zhì)水溫情況下的標(biāo)定）的相對(duì)偏差小于3%，且標(biāo)定曲線的線性度很好（R2＝0.099 9）。因此，可說(shuō)明自制雙平行電導(dǎo)探針液位測(cè)量系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確性和很好的穩(wěn)定性，可用于本實(shí)驗(yàn)。

圖3 探針標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration curve for probe

1.2 實(shí)驗(yàn)段介紹

為滿足可視化要求，T型管的主要材料采用透明有機(jī)玻璃。T型管支管下游分別接入汽水分離器及180°的彎管。參照AP1000核電廠中熱管段與ADS-4的內(nèi)徑，T型管的主管內(nèi)徑D和支管內(nèi)徑d相應(yīng)地進(jìn)行1∶9.7的縮比。實(shí)驗(yàn)段的其他尺寸列于表2。當(dāng)T型管內(nèi)氣體流量恒定時(shí)，通過調(diào)節(jié)倒裝閘閥控制液位緩慢升高。當(dāng)?shù)?個(gè)液滴進(jìn)入稱重傳感器時(shí)即定義為夾帶起始點(diǎn)。

表2 實(shí)驗(yàn)段幾何尺寸Table 2 Geometrical dimension of test section

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 流型

T型管夾帶實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，夾帶發(fā)生時(shí)主管內(nèi)可能存在3種流型，因此定義3種夾帶現(xiàn)象：間歇流夾帶、分層流夾帶和環(huán)狀流夾帶，如圖4所示。圖4中，h為氣腔高度。每種夾帶現(xiàn)象的特征如下。

圖4 T型管內(nèi)的流型Fig.4 Flow regime in T-junction

間歇流夾帶是在T型主管內(nèi)為間歇流，一股股液體涌入支管，如圖5所示。

圖5 主管內(nèi)的間歇流Fig.5 Intermittent flow in main pipe

分層流夾帶發(fā)現(xiàn)兩種夾帶機(jī)理：1）支管口附近波動(dòng)液位引起的夾帶，如圖6a所示；2）支管附近液位出現(xiàn)臺(tái)階狀，上游液位較低，下游液位較高，夾帶總是在臺(tái)階處發(fā)生，如圖6b所示。

環(huán)狀流夾帶是在主管上游出現(xiàn)環(huán)狀流，主管下游為分層流，支管內(nèi)出現(xiàn)環(huán)狀流，支管口處有明顯回流，如圖7所示。

圖6 分層流夾帶Fig.6 Stratified flow entrainment

圖7 環(huán)狀流夾帶Fig.7 Annular flow entrainment

根據(jù)Mandhane等［14］所建立的水平管流型圖可知，彈狀流（即間歇流）往往發(fā)生于氣相表觀速度較大時(shí)。在本實(shí)驗(yàn)中，T型管水平主管內(nèi)的間歇流總是發(fā)生在較小氣相Froude數(shù)且氣腔高度較小的情況下。在較低氣相Froude數(shù)和較低氣腔高度情況下，波動(dòng)的兩相液面更加容易接觸到主管上部?jī)?nèi)壁，進(jìn)而形成間歇流。當(dāng)間歇流發(fā)生時(shí)，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壓力發(fā)生劇烈波動(dòng)，如圖8所示。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中氣體無(wú)法從主管下游流出的情況，兩種夾帶現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)：波狀?yuàn)A帶和臺(tái)階狀?yuàn)A帶。波狀?yuàn)A帶通常在較高支管含氣率時(shí)發(fā)生，隨著液位的繼續(xù)升高波狀?yuàn)A帶轉(zhuǎn)向臺(tái)階狀?yuàn)A帶。臺(tái)階狀?yuàn)A帶與文獻(xiàn)［15-16］的描述類似，且在液位較高時(shí)易于發(fā)生。

圖8 實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壓力的波動(dòng)Fig.8 Pressure fluctuation in test section

在本實(shí)驗(yàn)中，以主管入口處出現(xiàn)環(huán)狀流為環(huán)狀流夾帶判定準(zhǔn)則。環(huán)狀流夾帶發(fā)生時(shí)，主管中部為帶有液滴的氣芯，主管入口液膜受到重力的影響，液膜逐漸下落并在主管底部積累（圖7c）。由于主管下游為分層流狀態(tài)，支管附近處主管內(nèi)形成明顯的階梯狀（圖7b）。支管內(nèi)壁布滿液膜為明顯環(huán)狀流（圖7a），支管口可見明顯的回流（圖7b）。

2.2 大尺寸支管

前人主要是針對(duì)小尺寸支管展開夾帶研究，支管內(nèi)復(fù)雜的流型難以產(chǎn)生和觀察。對(duì)于大尺寸支管的夾帶，支管內(nèi)可觀察到明顯的回流，如圖9所示。在整個(gè)夾帶過程中，隨著液位的升高，夾帶發(fā)生并逐漸加強(qiáng)。支管回流則從無(wú)到有，并隨著液位的升高明顯被支管內(nèi)大量的夾帶所覆蓋。如果液位進(jìn)一步升高，最終主管間歇流將可能發(fā)生。

圖9 支管內(nèi)回流Fig.9 Reverse flow in branch

2.3 支管形狀

ADS-4管線形狀復(fù)雜，包含許多支管段和各種彎管段。圖10示出不同支管形狀對(duì)起始夾帶的影響。由于直管的阻力小于彎管，所以在相同液位情況下直管內(nèi)的夾帶更容易發(fā)生。

此外，隨著Froude數(shù)Fr的降低，起始夾帶氣腔高度hb隨之降低。然而，氣腔高度下降速度在低Fr區(qū)大于高Fr區(qū)（圖10中虛線部分）。在起始夾帶曲線突變處，往往發(fā)生支管間歇性?shī)A帶。由于本實(shí)驗(yàn)以液滴被夾帶出支管作為夾帶起始判定準(zhǔn)則，考慮到較小的氣流（即較小Fr）容易引起液滴一次次的積累與釋放，故引起支管間歇夾帶的發(fā)生。然而在較大氣流情況下，液滴則可直接被帶出支管。因此，夾帶起始現(xiàn)象的轉(zhuǎn)變可能造成夾帶起始判定出現(xiàn)偏差。

圖10 支管形狀對(duì)起始夾帶的影響Fig.10 Effect of branch shapeon onset entrainment

2.4 液相橫流

圖11 液相橫流的影響Fig.11 Effect of liquid crossflow

3 結(jié)論

以AP1000中ADS-4管線與熱管段形成的T型管為背景開展支管垂直向上情況下的T型管夾帶實(shí)驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制T型管的水平主管流型圖，結(jié)合可視化研究發(fā)現(xiàn)3種夾帶方式：間歇流夾帶、分層流夾帶和環(huán)狀流夾帶。在較小Fr和較高液位情況下，間歇流夾帶易于發(fā)生；波狀?yuàn)A帶和臺(tái)階狀?yuàn)A帶是分層流夾帶中的兩種夾帶機(jī)理；當(dāng)氣相流量較大時(shí)，環(huán)狀流夾帶易于發(fā)生。此外，通過對(duì)比Mandhane流型圖可知，T型管主管內(nèi)間歇流發(fā)生條件與傳統(tǒng)水平主管內(nèi)間歇流的形成條件有較大差別。

對(duì)于大尺寸支管夾帶，隨著液位的升高，支管內(nèi)回流從無(wú)到有，最終被支管內(nèi)間歇夾帶所淹沒。若繼續(xù)增加液位，主管間歇流將可能發(fā)生。

不同支管形狀對(duì)起始夾帶有重要影響。支管是直管情況下與彎管相比，夾帶更加易于發(fā)生。此外，高液位且低Fr情況下的起始夾帶研究表明，支管間歇流的出現(xiàn)可能對(duì)起始夾帶判定造成影響。

大尺寸支管情況下液相橫流對(duì)起始夾帶影響不大。可見，主管下游動(dòng)量通量較支管動(dòng)量通量小1個(gè)量級(jí)情況下液相橫流影響亦可忽略。

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Experimental Research of Liquid Entrainment through ADS-4in AP1000

MENG Zhao-ming1，2，DONG Bo3，4，DING Lei1，2，F(xiàn)U Xiao-liang3，4，TIAN Wen-xi1，2，YANG Yan-hua3，4，SU Guang-hui1，2
（1.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an710049，China；2.School of Nuclear Science and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an710049，China；3.State Nuclear Power Software Development Center，Beijing102206，China；4.National Energy Key Laboratory of Nuclear Power Software，Beijing100029，China）

With the T-junction formed by the fourth stage automatic depressurization system（ADS-4）and hot leg in AP1000nuclear power plant as object of study，a smallscale experiment research on entrainment at T-junction was performed.The visualization research indicates that the entrainment phenomena through a large size branch are apparently different from those through a small branch.Two entrainment mechanisms could be found in the stratified flow entrainment area.Intermittent flow entrainment tends to occur at a lower Froude number and a lower gas chamber height.Annular flow entrainment always arises at a higher Froude number.Also，the experimental researchshows that the reverse flow is observable in a large size branch inlet.The geometry of the branch has an important effect on the onset entrainment.In addition，liquid crossflow does not seem to affect the onset entrainment.

liquid entrainment；T-junction；ADS-4；visualization

TL334

：A

：1000-6931（2015）05-0807-06

10.7538／yzk.2015.49.05.0807

2014-01-22；

2014-11-05

大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2011ZX06004-024）

孟兆明（1987—），男，黑龍江明水人，博士研究生，核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)