窄矩形通道自然循环流动停滞与 临界热流密度研究
盛程，周涛，张1，肖泽军²，黄彦平2
2.中核集团核反应堆热工水力技术重点实验室，国川成都610041） （1.华北电力大学核热工安全与标塞化研究所，北京102206；
验，对实验中出现的流动停滞及传热恶化现象进行了现察，提出自然循环饱和涉腾条件下，享矩形通道 摘要：在华北电力大学自然循环实验室进行了自然循环条件下矩形通道内的临界热流密度（CHF）实内的流动停滞-传热恶化发生机理.自然循环流量漂移发生后会产生流型变迁不稳定，维而造成流量的持续波动，并导致停潜现象，从而使出口附近的液膜层在一定的热流密度下被完全蒸发并引起CHF现象，而窄矩形通道内，由于受间醇尺寸的限，蒸汽流对加热面上的液膜层产生挤压作用，加热面上 液膜层厚度因此会变得较薄，在较小的加热量下便能发生传热恶化.基于机理分析，给出了相应的计算模型，引人了考虑窄通道间原尺寸效应的无量纲约束数N和反映自然循环流动特点的特征因子C、分别对模型进行了修正，根据实验结果，对计算模型进行了多元回归拟合，并对其准确性进行了验证.通过对实验结果与模型计算值的比较发现，随看通道人口流速和系统压力的增大，CHF均增大：面随着 出口干度的增大，CHF会减小.
关键词：窄矩形通道：自然循环：流动停滞；临界热流密度
中图分类号：TK124 文章标志码：A 文章编号：0258-0918（2013)01-0065-11
Study on natural circulation flow stagnation and critical heat flux in narrow rectangular channel
(1. Institute of Nutlear Thermal-Hydrsalic Sefety and Standardization.North Chns Eletric Power Uiveity Bejng 102206. Chins2. CNNC Key Laborasory on Nuclesr Reacter Thermal Hydraulics Techeology. Nuclear Power Institute of China Chengdu of Sichuan Psov. 610041 China)
Abstract; Experiments of eritical heat flux (CHF) under natural circulation condition innarrow rectangular channel were conducted in Natural Circulation Laboratory of North
China Electric Power University. The phenomena of flow stagnation and hest transferdeterioration were observed during the cxperiments. The developing mechanism of flowstagnation/ heat transfer deterioration in narrow rectangular channel under saturation condition was proposed. Flow pettern instability would appear when the flow excursionoccurred thus leading to the continuous flow oscillation and flow stagnation. Then theliquid layer near the outlet would pletely evaporate under a certain heat condition and the CHF occurred. While in narrow rectangular channel. the vapor stream couldproduce extrusion action to the liquid layer on the heating wall due to the limitation caused by gap size which cause the liquid to bee very thin and heat transferdeterioration could happen under a much lower heat flux condition. Based on themechanistic analysis a corresponding calculation model was provided. A dimensionlessnumber of constrsints and a natural cireulation characteristic factor were brought in to optimize the proposed model for the purpose of considering the effects of gap size andcirculation mode in the model respectively. The multiple regressions were applied to thecalculation model according to the experimental results and the accuracy of which wasvalidated. The parison between experimental results and model calculation values indicated that CHF would increase with the inlet velocity and systerm pressure increased and would decrease with the outiet quality increased.
Key words: narrow rectangular channel; natural cireulation: flow stagnation; criticalheat fiux
在工业中得到了广泛应用.然而由于受到传热恶化等的限制，热流密度无法得到进一步的提为一种非能动循环方式，自然循环可以在不需高，在提高热流密度以增大换热效率和提高经要其他外在驱动力的前提下，利用工质自身密 济效益的同时，如何预防或预测加热管或换热度差作为驱动源将热量导出发热设备，一些学器内出现传热恶化，一直是研究的热点.一些者对自然循环课题已开展了较为深人的研研究者针对工业运行条件，基于各自的传热恶化发生机理，给出了一些预测关联式或计算生故射性泄疆事故后，以自然循环为代表的非模型，核工业中，由多块平行燃料板组成的结 构类似于窄矩形通道的燃料组件，因其功率密度高，而在先进堆中得到了广泛应用.在窄间隙矩形通道中，由于蒸汽相受到空闻的限制，其到某个临界值时，会出现使回路质量流量变小传热特性与常规通道必然有所不同，针对矩形的流量票移现象.在发生流量漂移不稳定之 通道内强迫循环的传热恶化，已有一些研究后，流量在较高的热流密度下却只能维持在较者进行了部分工作.此外，两相沸腾流动低值，因此更容易发生传热恶化.中，由于扰动等影响因素会使加热段内工质的目前流动不稳定对CHF影响的研究主要空泡率不断发生改变，可能会使通道内流型发集中于强迫循环或池式沸腾.有些研究持续不稳定波动，这种流量波动对传热恶化会行了研究，但针对窄矩形加热通道条件下，将流产生非常大的影响，因此针对流动不稳定与传量波动与传热恶化等热工现象进行明确关联的热恶化相互之间联系的理论及实验研究也有研究还鲜有报道，通过对自然循环流动停滞发
两相沸腾换热由于具有较高的传热效率，定的开展
两相沸腾换热的循环流动方式有多种.作究，尤其在2011年日本福岛第一核电站发能动余热排除方式得到越来越多的关注，但由 于事故中自然循环形成后，一回路冷却水流量很低，并且相比强迫循环，自然循环在加热量达
生时的CHF进行研究，给出自然循环下窄矩形通道内流动停滞的CHF发生机理，提出相应的计算模型，并分析各参数对CHF发生的影响.
0.5cm位置，沿入口到出口方向等间距插人20根误差为0.25%的铠装热电偶，
实验采用去离子水作为工质.去离子水通过净化水装置获取，首先向回路注人去离子 水，并开启回路上部的安全阀以排除难溶气体.回路充满水后通过稳压系统，使回路的压力达到实验所需的大小.接着调节预热段功率，使实验段进口工质的温度稳定在预定值，与此同时开启冷却水泵，并调节冷却水二回路的阀门， 使冷却水流量稳定在一个合适的值.然后以每分钟3kW/m²的速率逐渐增大实验段热流密度.打开高速摄像仪对通道出口附近的流场进行拍摄，同时启动数据采集软件，以0.5s的采 集周期记录湿度和功率信号，当壁面温度出现突升，同时实验段出口附近出现干涸现象时，手动或通过设置温度自动保护断开功率，以保证实验设备安全.温度自动保护通过预先设定壁温及壁面升温速率的上限值，当数据采集系统 监测到壁温大小或壁温的升温速率超过各自上限时，自动断开加热段全部功率，从面实现保护功能.此时保存温度和功率数据，并记录发生CHF时的热流密度，
1研究对象
1.1实验装置和方法
图1和图2分别给出了自然循环实验台架和实验段结构的示意图.
图1自然循环实验回路简图
Fig. 1 Experimental Loop of Natural Circulation
1.2简化的研究对象
为简化研究对象，将图2中的实验段简化为如图3所示.
图2实验段结构Fig. 2Structure of Test Section
如图1所示，自然循环实验回路主要包括实验段、预热器、稳压器和冷凝器等设备.实验台架高约3.3m，宽约2m.图2中，竖直向上玻璃背面加工开槽，并通过压板将其固定于加 实验段通道的长度为1000mm.通过在石英热板正面，形成横截面为40mm×2mm的窄矩形通道.通道正面可视面积的尺寸为1000mm×40mm.此外，在加热板竖直侧面 等距离插人12根总功率为30kW的加热管，对通道进行加热，面在距离通道加热面
图3窄矩形通道流动示意图Fig. 3 Flow dingram of narrowrectangulsr cbsnnel
从图3可以看到，工质从下向上竖直流动，竖直流动方向为Z方向，垂直加热面向通道内 通道左侧受均匀热流密度加热，右侧为绝热.为Y方向，与Y、Z方向垂直的是X方向.
成弹状流型或环状流型，流達逐渐减小，（d）环状流/流动滞止.加热面上工质流速继续减小，在某一时刻，聚合后的大蒸汽塞在加热表面停留，停留的时间内蒸汽塞与加热面之间 的液体蒸发，形成一定面积的干润区，壁温发生突升.（e）蒸汽塞脱离，聚合形成的弹状汽泡开始离开加热面，过冷液体重新与加热面接触，干潤区逐渐消失，实验段内流速逐渐增大.和润湿，液体接受热量，加热面上重新恢复为可 （f）壁面再润湿.加热面重新被过冷液体覆盖见的汽化核心现象.
2测量结果
2.1流动停滞与干现象的可视化观察
实验在常压至1.5MPa之间进行.数据采集的时间间隔为1s.水为实验工质.实验 段的功率变化范围为0~30kW.预热段功率变化范围为0~40kW.实验中调节预热段功率，使人口温度恒定，待系统稳定后，逐步增加实验段热流密度，直到出现出口附近加热面发1.1节中所提到的，利用高速摄像仪对流动滞 生干调，并观察流动是否发生滞止现象，如止及传热恶化进行拍摄，并对通道内的流量和出口附近的壁温进行了测量记录，回路的流量通过涡轮流量计进行测量，通过拍摄的图像数据和采集的流量、温度信号，可以对流动滞止阶 段加热面上的流动及传热状态进行分析.以某一次常压条件下实验为例，拍摄的位置在靠近通道出口附近，发现流动滞止产生时的各个阶段如图4所示.各个阶段如下所述：（a）加热面润湿.在初始阶段，加热面上有持续的液体 流过，少量可见的汽化核心和汽相被液体冷却后很快消失，（b）沸腾开始.汽化核心产生.加热面上开始出现明显汽泡，有小的汽泡从加热面上脱离，并发生合并后从实验段出口流出.（e）蒸汽聚合，更多汽泡产生并发生聚合，形
2.2流量和温度信号测量
时间变化的原始数据如图5所示. 整个实验过程中流量和出口处壁面温度随
图5流量和壁温随时间变化的实验数据Fig. 5 Experimental data of volume flow and wall temperature with variation of time
由图5可见，在500s左右，壁温开始超过液体饱和温度，自然循环流量开始形成.流量形成后，流量的波动幅度异常大，说明在自然循环形成初期，流动处于很不稳定的状态.在实验进行到3000s左右，流量发生了下降，这属 于静态不稳定中的自然循环流量漂移，在3700s左右，流量不再有明显的下降现象，但流量波动开始明显.流量波动现象一直持续，直到在4500左右，出口附近加热面出现完 全蒸干现象，对应壁面温度发生了阶跃升高.
3窄矩形通道内自然循环流动停 滞-传热恶化发生机理
图4自然循环流动停滞的可视化拍摄Fig.4Visualization of flow stagnation in natural cireulation
之间的密度差作为唯一驱动力的流动方式.随 自然循环是通过加热形成加热段和下降段着加热量的逐渐增大，自然循环流量逐渐增大.
（0501）（4）（00001）（）68
（e）汽湘聚合（7-0.790s）；（d）环状流/止（-1.218x）：
但是当加热量达到某一个临界值后，流量开始近的蒸汽与加热面之间的液膜会在某一次停滞下降，即自然循环流量漂移形成.在加热量不阶段内率先被完全燕发，加热面完全被蒸汽覆变或继续升高的条件下，流量不再回复到流量持在一个较低的水平.此时，在加热量不变或 漂移前的值，而是在经过一定时间后，稳定地维逐渐增加的条件下会导致含汽率增加，流型可能会从泡状流转变到弹状流或环状流.此时通道内的压降比液状流时的小，而自然循环密度差引起的驱动压头却增大，从而产生较大的过 剩压头，使流量增大，质量含汽率减小，加热段内重新恢复为泡状流.泡状流使加热段压损增大，而自然循环驱动力减小，回路流量因面再一次减小，流型从泡状流向弹状流或环状流发展. 如此往复，形成了流量漂移后持续的流量波动.
盖，出现干润现象，在一个周期内除了发生干漏并引起温度上升以外，还会发生壁面重新被 液体润湿，但此时干润引起的温度上升幅度已远远大于润湿造成的壁面温度下降幅度，因此在一个干-润湿周期内，壁温变化的总趋势仍然显现出快速升高的态势，此外，汽泡在窄矩形通道中会受到垂直加热面方向的挤压作用. 这种挤压作用对于通道中心蒸汽流和壁面上的液膜是相互的，蒸汽流量现出扁平带状形式的同时，液膜厚度也会由于被蒸汽挤压而变得很道加热面上的液膜会比普通大尺寸通道的蒸发 薄，因此在一定热流密度的条件下，窄矩形通得更快，干润现象会在较小的热流密度条件下发生.
图6显示了加热段出口附近自然循环流动停滞及CHF的发生过程.
4计算模型
4.1假定条件
为建立模型的分析方法，设定以下假设：
1）CHF是在一定面积上发生的明显的传热恶化现象.
2）CHF首先发生在实验段出口附近.
3）流动停滞开始到结束过程中，加热量全部用于蒸汽塞与加热面之间微液层的蒸发.
图6自然错环流动停滞/CHF发生过程Fig. 6 Flow stagnation and CHF in natural circulation
质量所占的比重可以忽略，即微液层不含蒸汽， 4）流动停滞产生时，假定液膜层内的蒸汽
5）Brutin等的研究表明，当蒸汽的产生率足够高时，会引起“超压”（overpressure），从而产生蒸汽的反冲力.蒸汽反冲力会把两相混合物推到管道的出口和进口.假定在液膜蒸 发过程中，蒸发速率的大小足够阻止新的液体进人.
（s）湘状流；（b）弹状流；（c）弹状/环状流；（d）液膜层落千
图6可以看到，加热段内的工质在一个流动停 图6中，G为质量流速，kg/（m²s），从滞周期内会经历泡状流到弹状/环状流型的转变.出现弹状流和环状流时，通道中心的蒸汽流和加热面之间会形成液膜层.当流动停滞发生以后，液膜层会在一定的热流密度条件下完 全被蒸干，加热面完全被大的蒸汽塞所覆盖，如图6（d）所示.在没有液体覆盖的情况下，加热壁面温度在很短的时间内快速上升，
6）在加热面热流密度均匀的条件下，假定通道人口到出口及垂直于出口附近加热面的密 度变化为线性变化，
4.2基本模型的建立
根据前述机理分析和4.1的假定，得到的热平衡基本计算模型形式如下：
滞现象，但在初始阶段，热流密度还不足以将通 尽管在流量漂移现象出现后已发生流动停道中心的蒸汽流与加热面之间的液膜完全蒸发.随着加热量的持续稳定增大，通道出口附
(1)
对式（1）进行整理、得到：
