自然循环条件下UTSG非均匀流动研究现状
章德，陈文振，王少明，都建立
（海军工程大学核能科学与工程系，湖北武汉430033）
摘要：自然循环条件下，UTSG并联倒U型传热管内存在非均匀流动，部分传热管出现倒流，倒流的发生对反应堆自然循环能力产生显著的影响，本文综述了自然播环条件下UTSG非均匀流动研究现状，包括非均匀流动的实验研究、机理分析及数值计算研究.在讨论现有研究存在缺陷的基础上，对进一步 的研究提出了一些建议.
美键词：自然循环；UTSG：非均匀流动
中图分类号：TL334 文献标志码：A 文章编号：0258-0918(2011)02-0154-08
Advance in research ofnon-uniform flow ininverted U-tube steam generators under natural circulation condition
ZHANG De CHEN Wen-zhen WANG Shao-ming HAO Jian-li
Depermt of Nclear Egy Sciene and Engineing Naval Uiverity of Enginring.Wuhan of Hubei Prov 430033 China)
Abstract:For natural circulation it is shown that parallel flow in the tubes of invertedU-tube team generators can be non-uniform. And reverse flow occurs within sometubes which can greatly influence the characteristics of natural cireulation. Advance inresearch of non-uniform flow distribution in UTSG under the natural circulation condi-According to the analysis on the advantages and disadvantages of those researches some tion is reviewed including experiment mechanism analysis and numerical calculation.proposals for the further study are given
Key words;natural circulation; UTSG; non-uniform flow
能动安全性，可以减少堆芯各通道内流量分配的不均匀性，可以提高一体化反应堆的性价比，因而自然循环技术在新一代反应堆的设计与运
自然循环是指在重力作用下的闭合系统中，流体不依赖外界动力源，仅仅利用冷、热源流体密度差产生的驱动力面进行的循环流动.自然循环冷却可有效地增强反应堆的非行中占有重要的地位.
目前运行中的及新一代的压水堆核动力装置中，广泛地使用了立式倒U型管蒸汽发生器 （UTSG）.然面，根据已有的文献报道在进行一回路系统自然循环能力研究时，发现UTSG倒U型传热管内存在显著的非均匀流动，某些倒U型传热管内的单相冷却剂会发生室流至人口腔室，侧流的出现使UTSG的有 倒流流动，即UTSG一次侧的冷却剂从出口腔效传热面积减少，倒流冷却剂在人口腔室内与反应堆出口的热管段来流冷却剂进行复杂的混合、耗散，使自然循环工况下的UTSG流动阻 力系数较强迫循环工况明显增大：回路流动阻力的增加导致流过反应堆堆芯的流量减少，反应堆的自然循环能力受到显著的影响.
1非均匀流动的实验研究
自然循环条件下UTSG的非均匀流动作为一种独特的流动模式，首先在压水堆整体实验台架（IntegralTest Facilities）上被发现.
20世纪80年代，在LSTF台架上进行了编号为ST-NC-01和ST-NC-02的压水堆UTSG的自然循环特性研究，其中，ST-NC01实验功率为5%名义核功率，ST-NC-02实 验功率为2%名义核功率，实验中主系统的冷却剂装量从初始的100%递减，二次侧的压力
和水位维持在6.9MPa和9.1m.该台架根据管长将6根U型管分为长、中、短三类，实验 发现，在主泵停转后，系统回路迅速建立起自然循环，但在长U型管内没有建立温差且温度下降至与二次侧湿度相似的水平上.随着一次侧冷却剂装量的变化，中管和短管内出现两相流却剂的单相和两相流动都发现了显著的非均匀 动，且在中管内发现冷却剂倒流.在实验中，冷流动.图1为LSTF自然循环实验得出的U型管内流体流动模式，
实验中，发现等长的2根U型管内分别发生了 在LOBI-MOD2台架上进行的A2-77A的正流和例流.其中，倒流U型管内流体温度与二次侧温度非常接近，自然循环回路热管段与U型管人口处的流体温度存在陵降：该实验腔室压力，而进出口腔室的负压差正是例流发 同时发现蒸汽发生器进出口腔室压力大于人口生的必要条件.在LOBI-MOD2台架上重新设定二次侧压力进行重复实验，正流和倒流发生实验中发现，倒流并非只在相同的U型管中发 的位置不变.但在SEMISCALE台架的类似生，另外，在BETHSY台架的7.2C实验和PKLIII台架的E3.1实验都发现了U型的部分性能参数（ 管内的非均匀流动.表1为上述整体实验台架
图1LSTF自然循环实验U型管内流动模式
Fig. 1 Flow mode in U-tubes in the LSTF natural-circulation experiments
表1整体实验台架性能参数
Table 1 Key characteristics of selected integral test facilities
Item SEMISCAL MODEA W-PWR LOBI MOD2 KWU-PWR KWU-PWR PKL-1I1 FRA-PWR ASHL38 W-PWR原型系统及其功率/MW 3 411 3 900 3 900 2 795 3 423奶料榨模拟体个数 25 64 340 428 1 064U型管直径/cm 蒸发器中U型管个数 19.7 2/6 19 6 8/24 09/0/06 10.0 34/34/34 19 7 141/141 19.6名文功率 1/1 957 1/589 1/159 1/132 1/48
国内针对UTSG非均匀流动的专项研究院自然循环试验装置上进行了编号为run0622 相对较晚，21世纪初，在中国核动力研究设计和run0817的单相稳态自然循环试验，两次实验的一回路系统压力、反应堆模拟体进出口平均湿度、UTSG模拟体给水温度相同，不同之处为一回路泵的阻力系数，实验发现：
（1）随着反应堆模拟体功率的增加，一回路单相自然循环流量增加；
（2）在自然循环工况下，UTSG模拟体进出口腔室间压降为负值，且随着一回路自然循 环流量的增加，该压降的绝对值增大：
（3）同一自然循环流量下，一回路泵的阻力系数增加，UTSG模拟体进出口腔室间压降的负值增大；
（4）自然循环工况下，UTSG模拟体人口腔室温度明显低于热段温度，且随着一回路自然循环流量的增加温差增大明显：
力系数较强迫循环工况增大了约3倍. （5）UTSG模拟体自然循环工况下等效阻
根据已有的实验结果，自然循环条件下UTSG内发生非均匀流动的典型特征为：
（1）传热管内冷却剂没有建立温差且湿度与二次侧饱和湿度接近；
（2）UTSG出口腔室的压力大于人口腔室的压力；
（3）人口腔室的冷却剂温度较热段温度有一缺降.
2非均匀流动的机理分析
UTSG中倒U型传热管在空间布置上为并联管，自然循环条件下管内流动为低流量流
动，管内流动过程存在热交换：实际核动力装置中倒U型传热管的数目较大，即使是实验装置 也难以在每根传热管上布置测点.因此，对非均匀流动的研究集中在以下几个方面：
（1）并联管流动不稳定性；
（2）并联管内流量分配.
2.1并联管流动稳定边界
意大利学者Sanders（1988）通过建立UTSG内并联倒U型管内一维单相自然循环流动模型，对其流动的稳定边界进行研究.根据Oberbeck-Boussinesq方程，Sanders将一次 侧内流体的密度状态方程p-p（T）线性化处理为二次侧温度（T，）及该温度下的密度（）的函数：p（T）=p（1-a（T-T ））.根据并联管进出口压力相等且管内流速各不相同，得到 了U型管内流体全部为正流时和U型管内同时存在正流和倒流时的流动稳定边界，具体方程见文献[5].
是否稳定依赖于两个因素： 根据稳定边界，并联倒U型传热管内流动
（1）蒸汽发生器的位高：
（2）U型管内流动阻力占自然循环回路总阻力的比例.
可以确保流动稳定，反之则容易发生不稳定性. 较高的蒸汽发生器位高和较低的流动阻力对于已确定了阻力系数和给定蒸汽发生器位高的核动力装置，流动是否稳定依赖于热功率的大小.
Sanders认为，若部分U型管内发生倒流，有助于提高总体的流动稳定性.系统出现扰动时，如总流量突然升高，较高流速的热流体进人到U型管的上升段，进口流体的温度增加，上
升段与下降段的密度差增加，进而管内流体流动的驱动力增加：驱动力增加导致管内流速增大，相应的流动阻力也会增大：若流动阻力的增发生.若部分U型管内发生倒流，低湿流体与 量不能抵消驱动力增量时，流动不稳定性将会燕汽发生器进口腔室的热流体混合，则正流流体的人口温度将会下降，进而管内流体流动的驱动力也会下降.另外，由于倒流的存在，在总 流不变的前提下，正流流体的流速增加，进面流动阻力也会增加，在上述因素的共同作用下，驱动力和流动限力会稳定在一个新的水平上.其研究还认为，只有在正流U型管的比例不超 过某个上限的条件下，稳定的倒流才可能发生.
2.2静态流动不稳定性
韩国学者Jeong（2004）将研究的范围从一维单相自然循环流动扩展到一维两相自然循环流动，并认为例流现象属于静态流动不稳定性， 倒流的发生是某些U型管内发生了流量漂移[1.通过沿流道对动量方程进行积分，得到单相和两相自然循环条件下，进出口压降及其分量（包括提升压降、不可逆损失压降，忽略加 速压降）与管内质量流量的关系，具体方程见文献[10]，压降-质量流量曲线如图2所示.
图2压降-质量流量曲线Fig. 2 Pressure drop versus mass flow rate
在重力压头和不可逆损失的共同作用下，当质量流量较小时，该特性曲线存在一个负斜率区，且在A点存在一个最小值，考惠存在例在图3所示的特性曲线负斜率区（C点与A点 流的情况，图2的总压降曲线被扩展为图3.
图3流量漂移Fig. 3 Flow excursions (A→B;C~→D)
之间），质量流量并非是压降的单值函数.Jeong认为，在进出口总压降为负值时，稳定的正流依然可以维持；当总压降降至A点后，继续下降会导致流体的流向迅速地从正向发展为 负向（从A点到B点），这种流动发展模式是典型的Ledinegg演动不稳定性.通过线性扰动分析，Jeong得到了发生流量漂移的临界流量m，即A点的流量；从数学的角度分析，该点的流量满足dp/dm=0.Jeong的研究还认为. 短管的临界流量大于长管的临界流量.在总压降下降的过程中，长管先于短管达到其临界流量值，长管将首先发生倒流.多根并联倒U型管的压降-流量曲线如图4所示.
图4多管压降-质量流量曲线Fig. 4 Multiple U-tubes Pressuredrop versus mass flow rate
2.3侧流传热管分布预测
定边界和发生流量漂移的特征流量，但没有得出并联侧U型管内同时发生正流和倒流时的流动特性.而假定倒流已经发生，任意假定正的方法，其结果有很大的不确定性，通过建立 流和倒流管分布以及相应的流量进行倒流分析稳定的自然循环运行工况下，并联倒U型管内同时发生正流和倒流的全水动力学曲线（"，该学者对倒流传热管的分布进行了预测.
根据同时发生正流和倒流的全水动力学曲线，正流总压降曲线位于第一和第四象限，倒流总压降曲线位于第二和第三象限，且倒流时的总流动压降与流体的摩寨压降十分接近.以正 流管的儿何结构为基准（基准管），基准管的倒流总压降曲线（基准曲线）与其正流摩擦压降曲线近似地以坐标原点对称.当倒流管长小于基准管时，其总压降曲线位于基准曲线的左侧，反之位于基准曲线的右侧，如图5所示，图中下标 f表示摩擦压降，zl表示正流，dl表示倒流，o表示基准管，表示管长小于基准管，1表示管长大于基准管.当蒸汽发生器进出口腔室的压差等效为3组，具有相同流动特性的传热管比例流时，要满足正流流量必须大于倒流流量的条件，倒流将更可能出现在阻力较大的长管中.
图5长管最可能发生倒流的机理分析Fig. 5 Preferential ocrurrence of reverse flow in longer U-tubes
3非均匀流动的数值计算研究
采用数值计算的方法对UTSG中并联倒
U型管非均匀流动特性进行研究，关键在于结动不稳定性方法研究倒流间题，虽然得到了稳维系统分析程序（如REALAP5、TRAC等）进 杨瑞昌（2008）等学者认为，采用并联管流构模型的建立和计算边界的设定.目前使用一行核动力装置安全分析时，大都对U型管进行集总参数处理，将蒸汽发生器内的U型管等效为一根，确保集总后的U型管内外总传鹅制体划分方法可对强迫循环进行较为精确的模 面积不变，进出口流动压降基本不变.这种控拟，但无法模拟自然循环工况下并联例U型传热管内可能存在的倒流现象.
LSTF实验台架上进行的ST-NC-02实验结果 文献[12]使用最佳评估程序TRAC对进行了分析，研究认为：对于自然循环实验，传热管内流动特性将对一回路系统响应产生重要影响.实际上各传热管内流动形式也各不相同，因此该文献在建模时，根据长度将实验台架 中的141根传热管分为长、中、短3组，每组传热管的根数和长度相同；相应的，该分析模型中将蒸发器内传热管等效为3根，每根等效传热管代表了40多根传热管的流动特性，该文献 认为，环路流量的计算结果偏高部分原因在于：
（1）蒸发器的建模方式，将141根传热管各不相同：
（2）TRAC程序对蒸发器传热能力的计算结果偏高，其研究认为最佳评估程序TRAC可对蒸发器一次侧传热管中的倒流现象进行模拟，面更为精确的流动特性预测必须建立在足 够精细的模型的基础上.
文献[13]利用RELAP5/MOD3.3程序对压水堆单相流体自然循环工况进行建模计算，结果表明：采用集总参数控制体划分进行 UTSG倒U型管族的结构建模，计算的环路自然循环流量明显高于实测值，该研究中，将U型管按不同的长度分类并划分为不同的控制体倒流，系统自然循环能力降低，环路的自然循环 与流线，其计算结果表明部分U型管内将发生净流量计算结果与实测值更为吻合.文献[14]采用相同的控制体划分方式，对主系不同转动惯量下的自然微环过波过程进行研究，其研究认为，转动惯量的增加可以延缓倒流的发生，但
