趙忠南

【摘 要】在新型球床反應(yīng)堆中涉及到氣-液兩相流。對(duì)于球床反應(yīng)堆內(nèi)氣-液兩相流動(dòng)特性研究而言，不同的流型具有不同的水動(dòng)力學(xué)和傳熱特性，研究并識(shí)別球床反應(yīng)堆氣-液兩相流流型對(duì)于球床反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和運(yùn)行是十分重要的。本文對(duì)兩相流壓差波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，其結(jié)果表明不同流型所對(duì)應(yīng)的壓差波動(dòng)信號(hào)具有不同的時(shí)域特征。在實(shí)際工況下可以對(duì)壓差波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，來(lái)指導(dǎo)球床反應(yīng)堆內(nèi)氣-液兩相流的流型識(shí)別。

【關(guān)鍵詞】?jī)上嗔鳎磺虼卜磻?yīng)堆；時(shí)域特性；小波分析

0 前言

在新概念核反應(yīng)堆堆型的研究中，尋求微球形燃料元件與輕水反應(yīng)堆（LWR）的結(jié)合[1]，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆良好的經(jīng)濟(jì)性和固有安全性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為近十多年來(lái)新概念堆型研發(fā)的重要方向之一。球形燃料元件具有安全性高和體積釋熱率大的優(yōu)點(diǎn)，而水冷堆的技術(shù)已經(jīng)很成熟，實(shí)現(xiàn)這兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)合已經(jīng)成為近年來(lái)球形燃料元件應(yīng)用探索的重要方向之一。Grishanin[2]指出水冷微球床反應(yīng)堆與傳統(tǒng)燃料元件反應(yīng)堆相比有明顯優(yōu)勢(shì)。在微球床反應(yīng)堆中，燃料球致密排列，充滿整個(gè)元件管，冷卻劑流經(jīng)微球形燃料元件堆積形成的球床孔隙流道。對(duì)于沸水堆或直接過(guò)熱的反應(yīng)堆，堆芯內(nèi)冷卻劑經(jīng)歷由單相到兩相、甚至過(guò)熱蒸汽的全過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中存在著微球床多孔通道氣-液兩相流動(dòng)。

不同的流型具有不同的水動(dòng)力學(xué)和傳熱特性，研究并識(shí)別球床反應(yīng)堆內(nèi)氣-液兩相流流型對(duì)于球床反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和運(yùn)行是十分重要的。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量信號(hào)的選擇

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)段、供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五部分組成。

實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為經(jīng)由氣-液混合器混合的去離子水與壓縮空氣形成的兩相流體。實(shí)驗(yàn)段由上下法蘭盤(pán)、取壓環(huán)、有機(jī)玻璃管和玻璃填充球組成。長(zhǎng)度為L(zhǎng)為1000mm，內(nèi)徑為dc為50mm，為消除進(jìn)出口效應(yīng)，進(jìn)口200mm處設(shè)入口測(cè)壓點(diǎn)，出口100mm處設(shè)出口測(cè)壓點(diǎn)。取壓間距ΔL為700mm。裝配好的實(shí)驗(yàn)段豎直固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上。實(shí)驗(yàn)段內(nèi)分別填充直徑為8mm的透明玻璃球形成微球固定球床床。

1.2 測(cè)量信號(hào)的選擇

反映流型變化的兩相流參數(shù)很多，如壓力、界面含氣率、壓差等。本文采用壓差信號(hào)作為測(cè)量參數(shù)，主要考慮到以下幾點(diǎn)：

（1）大量的研究證明，壓差信號(hào)的波動(dòng)與流型的變化是密切相關(guān)的，壓差信號(hào)的波動(dòng)可以提供流型識(shí)別的足夠信息[3，4]；

（2）壓差信號(hào)是兩相流實(shí)驗(yàn)中最容易獲得的信號(hào)，采用環(huán)室取壓對(duì)流動(dòng)沒(méi)有阻力，不影響流型的變化和觀測(cè)；

（3）壓差信號(hào)屬于快速響應(yīng)信號(hào)，能夠及時(shí)反映流型的變化，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的頻譜分析。

1.3 取壓距離的確定

取壓距離對(duì)獲得的壓差信號(hào)特性影響較大，取壓距離過(guò)長(zhǎng)對(duì)壓差信號(hào)有一定的平均作用，會(huì)喪失一定的高頻信息；取壓間距過(guò)短時(shí)，測(cè)得的壓差波動(dòng)信號(hào)則不足以反映流型的變化。研究表明，反映流型變化的壓差波動(dòng)信號(hào)為頻率低于50Hz的低頻信號(hào)[5]，結(jié)合以上兩點(diǎn)影響因素，本文確定的取壓間距ΔL為700mm，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)徑dc為50mm，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)所選取的取壓間距是合適的。

2 采樣頻率及樣本數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的確定

采樣頻率是實(shí)際測(cè)量信號(hào)過(guò)程中必須要確定的重要參數(shù)。本文對(duì)球床反應(yīng)堆氣-液兩相流壓差波動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析，分析表明，壓差波動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)頻率集中在20Hz以下，因此時(shí)域和時(shí)域分析對(duì)采樣頻率要求不高。但采樣頻率不能太低，否則不能反映系統(tǒng)的變化細(xì)節(jié)，根據(jù)奈奎斯特定律，要將采樣信號(hào)中的信號(hào)復(fù)原，采樣頻率必須是信號(hào)最高頻率的2倍以上。在本實(shí)驗(yàn)中，采用128Hz的采用頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明完全可以滿足實(shí)際要求。

實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)樣本必須能完整反映兩相流的流動(dòng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不再會(huì)造成信息的丟失。本文水的折算速度最高為0.24m/s，氣相的折算速度最高為1.58m/s，在低流速的脈沖流情況下，壓力波的傳播要通過(guò)700mm的取壓間距很短，不到1s。基于以上幾個(gè)數(shù)值，必須設(shè)定足夠的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)反映完整的流型信息。本實(shí)驗(yàn)中采樣時(shí)間定為16s，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2048點(diǎn)，可以保證低流速情況下獲得完整的脈沖流信息。

3 壓差波動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

本文共采集到氣-水兩相流對(duì)應(yīng)的5種流型的壓差波動(dòng)信號(hào)共計(jì)500組。其中泡狀流80組和串狀流為84組、液柱脈沖流為100組、乳沫脈沖流為210組、環(huán)狀脈沖流為36組。圖2給出的是各流型的壓差波動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征。

3.1 泡狀流

在泡狀流中，氣泡穿梭于球床反應(yīng)堆孔隙內(nèi)，氣泡在實(shí)驗(yàn)管段內(nèi)軸向分布均勻。氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷與球床反應(yīng)堆骨架相互碰撞、擠壓、變形，并伴隨著氣泡的破裂和再生。由于存在大量的氣泡經(jīng)歷這一過(guò)程，必然對(duì)實(shí)驗(yàn)段的壓差產(chǎn)生波動(dòng)。這種流型在氣相流量較小時(shí)出現(xiàn)，因此小氣泡的能量很小，所導(dǎo)致的壓差波動(dòng)也很小。泡狀流動(dòng)時(shí)壓差波動(dòng)很小，沒(méi)有明顯的周期性。

3.2 串狀流

隨著含氣率的增加，原本分散的小氣泡開(kāi)始聚合。受球床反應(yīng)堆特殊的幾何結(jié)構(gòu)影響，不可能形成大的氣彈，氣泡開(kāi)始沿著孔隙的延伸方向聚合成長(zhǎng)度不等的氣串，氣串的長(zhǎng)度從一厘米到幾厘米不等，氣串的長(zhǎng)度與表面張力有直接關(guān)系。氣串在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與球床反應(yīng)堆骨架碰撞，同樣會(huì)發(fā)生碰撞、擠壓、變形、并伴有斷裂。由于含氣率較泡狀流要大，氣串的能量要大于氣泡，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)段壓差波動(dòng)的影響也要強(qiáng)于泡狀流，同時(shí)，壓差波動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出周期性，周期從0.2s到2s不等，波動(dòng)幅度很小。

3.3 液柱脈沖流

液柱脈沖流在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)是分布很廣泛的一種流型，這種流型是在串狀流的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加含氣率的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。液柱脈沖流的典型特點(diǎn)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)分為明顯的液柱段和氣-液混合段。二者交替通過(guò)測(cè)壓點(diǎn)，由于液柱段的存在，這種流型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)壓差波動(dòng)的影響明顯，壓差波動(dòng)信號(hào)具有明顯的周期性，波動(dòng)周期大約為2/3s，波峰波谷明顯。

3.4 乳沫脈沖流

隨著截面含氣率的進(jìn)一步增加，液柱脈沖流中液柱的長(zhǎng)度逐漸變短，氣-液混合段逐漸加長(zhǎng)。最終，在氣相的作用下液柱被沖開(kāi)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)段軸向上完全處于氣-液混合狀態(tài)。由于軸向上含氣率分布不均勻，導(dǎo)致此時(shí)流動(dòng)依然以脈沖的形式存在。這種流動(dòng)狀態(tài)反應(yīng)到實(shí)驗(yàn)段上就是壓差的波動(dòng)。與液柱脈沖流明顯的區(qū)別是乳沫脈沖流中由于原來(lái)的液柱段中夾雜著氣泡，在這種情況下，壓差波動(dòng)信號(hào)的波峰和波谷就會(huì)變平，也就是在波峰、波谷處不再有單一的峰值，波動(dòng)周期由2/3s變?yōu)榧s2s，這一現(xiàn)象是由流型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的。

3.5 環(huán)狀脈沖流

環(huán)狀脈沖流是一種充分發(fā)展的流型，本次實(shí)驗(yàn)中共觀測(cè)到36組環(huán)狀脈沖流。與常規(guī)管道中的環(huán)狀流相似，隨著氣相流量的大幅增加，除填充球表面和實(shí)驗(yàn)段壁面粘附著液相外，其余空間被氣相攜帶大量液滴所占據(jù)。然而不同于常規(guī)管道，球床反應(yīng)堆骨架的存在阻擋了氣-液混合相的順利通過(guò)，液相會(huì)在實(shí)驗(yàn)段的某處堆積然后在被氣相吹散、攜帶，這就導(dǎo)致壓差波動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)平穩(wěn)的過(guò)渡段和波峰段。平穩(wěn)段對(duì)應(yīng)氣流順利通過(guò)球床反應(yīng)堆骨架，而波峰段則對(duì)應(yīng)于液相的堆積導(dǎo)致流動(dòng)不暢。此時(shí)，壓差波動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)周期很不穩(wěn)定，隨著氣相流量的增加而增加，周期從2s到6s不等。

4 結(jié)論

4.1 不同流型的壓差波動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征在幅值、周期等波動(dòng)特性方面差別很大。

4.2 針對(duì)各種流型所形成的不同壓差波動(dòng)特性，從球床反應(yīng)堆的特殊結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了定性的分析。

4.3 通過(guò)對(duì)壓差波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域處理所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，壓差波動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析可以用于指導(dǎo)球床反應(yīng)堆內(nèi)氣-液兩相流的流型識(shí)別。

【參考文獻(xiàn)】

[1]閆曉，肖澤軍，等.微球形核燃料元件輕水堆概念的研究進(jìn)展[J].空泡物理和自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)室年報(bào)，2006：1-12.

[2]Grishanin. E， Garner F.A， Shea T.E. Long life nuclear reactor without open-vessel re-fueling， 2005.3：28-35P[J].

[3]Wu H J， Zhou F D. Intelligent identification system of flow regime of oil-gas-water multiphase flow[J]. Ind J Multiphase Flow，2001，27（2）：459-475P.

[4]Jin N D， Nie X B， Ren Y Y et al. Characterization of oil-water two-phase flow patterns based on nonlinear time series analysis[J]. Flow Measurement and Instrumentation，2003，14：169-175P.

[5]Lao L Y， Zhang H J， Li H Q. The relationships between the WVD characteristics of pressure drop and gas-liquid two-phase flow patterns in horizontal pipeline[Z]. ISMTMF98， Beijing， 181-186P.

[責(zé)任編輯：湯靜]