水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究.pdf

第卷增刊原子能科学技术 ，年月 水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究赵旭崇，段钟弟，王志伟，史明轩，薛鸿祥，（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 ；上海交通大学 海洋智能装备与系统教育部重点实验室，上海 ）摘要：非能动余热排出系统排出堆芯余热时，水平管道内因低温海水与高温蒸汽直接接触发生冷凝，导致气液两相流界面失稳甚至诱发水锤现象。为对水平管道内凝结水锤的形成演化过程进行可视化研究，搭建了一种测量管道中瞬时压力的可视化实验装置，采集了气液两相流界面可视化图像数据，探究了不同冷水温度、不同加热功率对凝结水锤的影响规律，对比了不同工况下时序图像中界面波动情况。结果表明：直接接触冷凝会导致界面波动发生失稳现象，若冷凝剧烈，失稳会进一步演化成凝结水锤现象；压力数据与时序图像能够较好对应；高加热功率的时序图像的水锤更为密集，凝结水锤发生周期随加热功率增大而缩短；升高过冷水温度能够抑制凝结水锤发生。关键词：凝结水锤；界面失稳；时序图像；两相流；可视化实验中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）；中核集团“青年英才”项目；中核集团“领创科研”项目通信作者：段钟弟：，（，；，）：，（），（），；，：；近年来，传统内燃机动力的民用船舶受能源价格波动影响明显，且船用柴油机燃烧重质燃油会带来大气污染，在全球能源问题导致能源价格上涨和各国环境保护政策不断出台的背景下，这些问题都将制约传统内燃机的发展。核动力具有明显的经济性和环保性的优势，以此为动力的海洋核动力船舶也将拥有更高的动力输出和更长的续航能力。随着核动力装置的应用技术逐渐成熟，核动力船舶应用前景变得更加广阔，如核动力破冰船、海洋核动力平台等。非能动余热排出系统是保障海洋核动力装置安全的重要系统之一，其优势在于利用海水作为热阱，通过管道与海水直接相连，利用低温海水的自然循环流动，将堆芯中的余热排入大海。但系统中水平管道可能会有部分海水回流，使得高温蒸汽与过冷水存在接触并发生冷凝，而高温蒸汽的急剧冷凝会诱发凝结水锤现象（）。因此研究高温蒸汽与过冷水在水平管中的直接接触冷凝，对于保障海洋核动力装备的非能动余热排出系统的运行安全具有重要意义。目前，针对管道内凝结水锤问题的研究受到了 国 内 外 学 者 们 的 广 泛 关 注。和 通过实验研究了近水平圆管中气液逆向流动的凝结水锤过程，绘制了凝结水锤发生的工况边界图。等研究了水平矩形通道内气液两相流在直接接触冷凝作用下的流动特性，测量了流场中温度和速度分布，发现在气相的剪切作用下靠近界面区域水的流向速度有所增加，且蒸汽冷凝会削弱液面波高。等发现了 一 种 液 体 闪 蒸 失 稳 导 致 水 锤 的 现 象（），分析了其形成机理，并绘制了描述 的 范 围 和 强 度 的 等 高 线 图。等在不同过冷水温度和蒸汽质量通量下，将原子能科学技术第 卷 现象分为周期性 、非周期性 、无 等类。等通过实验研究了水平管中周期性水锤过程中俘获气泡的特性，分析了压力震荡强度与气泡体积的关系，给出了压力振荡强度相关的理论计算。等通过实验研究了低压条件下等高差自然循环系统的种流动模式和 和 的瞬态特性，并分析了各模式下的流动特性，讨论了 对于自然循环系统的流量和流体温度的影响。等根据 概率实验的结论揭示了凝结诱导水锤的随机性，确定了具有高概率和高压 值 的 事 故 的 临 界 参 数 组 合。等通过改变初始的蒸汽压力条件及相应的水侧压力，分析了压力峰值随压差改变的变化规律。王禄涛等通过可视化实验研究，分析了 发生前的流型变化和压力强度的变化规律。刘文兵等发现 发生过程的存在个阶段，分析了各阶段的压力表现形式，并得到了过冷水温度升高或热流密度增加使 发生位置向管道出口移动的规律。本文运用可视化实验和数据测量实验的方法，对海洋核动力装置的非能动余热排出系统中可能发生的凝结水锤进行研究，从采集图像和压力数据两个角度研究凝结水锤的形成过程与压力幅值形成，并分析冷水温度和加热功率两个因素对凝结水锤发生规律及压力载荷的影响。实验设计本文为了实现对直接接触凝结诱发水锤现象的可视化研究，搭建了等高差非能动自然循环系统原理性实验台，实验装置原理如图所示，其主要由数据监测及采集系统，自然循环回路和冷却系统部分构成。自然循环回路用于模拟非能动余热排出系统的工作过程。初始时系统内全部由水填充，在加热后由于热对流驱动，形成单相自然循环流动并在一定加热功率下过渡到两相自然循环，在上部循环管道内形成沸腾气液两相流排入水箱。在管道末端由于与冷水直接接触，管中的高温蒸汽与冷水发生直接接触冷凝，诱发形成凝结水锤。实验中通过冷水机和加热装置，可以分别调节水箱的冷源温度和加热功率。水箱内部的温度通过控制系统实现温度反馈，当水箱中温度高于控制系统设定的温度时，冷却机组启动制冷。为了研究加热功率对水锤发生规律的影响，设置加热棒模拟堆芯余热输入，并通过控制系统控制加热棒的加热功率。本文共设计了组对比实验，各组实验参数列于表。根据工程实际情况 的海水温度较为普遍，因此实验中冷水温度设置为 ，并设置 作为对照。在实验中若设计的加热功率过低，仅靠单相自然循环即可排出余热，加热段不会图实验装置原理图 增刊赵旭崇等：水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究产生蒸汽进入水平管内。因此，实验中加热功率需使实验系统达到两相自然循环状态。同时，实验的加热功率需使管内含气率覆盖的大部分区间，综合上述要求与实验系统自身限制，实验中的加热功率选取了 的几组典型工况。表实验参数 实验工况冷水温度加热功率 上循环管段是直接接触凝结水锤的发生位置，是可视化实验和数据测量实验的重点研究对象。如图所示，水被加热后流出加热段出口并进入该管段。为了对发生水锤压力数据进行分析，在上循环管段上部布置了个高频动态压力传感器。上循环管段总长 ，压力传感器之间间距 ，由加热段出口至过冷水箱入口依次编号为。为了开展可视化实验，管段材质采用聚碳酸酯（）材料，有利于对管段中的水锤现象进行可视化图像采集。利用高速摄像机采集可视化图像数据，本次实验选用 作为拍摄帧率，可满足对水锤过程的记录需求。实验的数据采集包括可视化图像和压力数据采集。本实验中，压力传感器采集频率为 ，相关参数如下：量程，；精度等级，；响应频率，；输出信号，；工作温度，；结构，外螺纹。在循环管段开始稳定发生水锤后，通过控制系统采集压力数据，同时开始图像采集。凝结水锤过程观测分析 凝结水锤的形成发展通过可视化实验，可以观察到上循环管段内流动状态演化过程。直接接触冷凝导致两相界面产生波动，发展成界面失稳现象，若冷凝较为剧烈，界面失稳将进一步发展成凝结水锤，图展示了这一发展变化过程。图 展示了直接接触冷凝诱发界面失稳现象的演化过程。该过程可大致分为个阶段。第阶段，蒸汽流入上循环管，气液两相稳定分层流动，随后界面产生波动，气液两相呈现波状流状态。第阶段，两相界面产生剧烈波动，气液相相互作用较为剧烈，发生界面失稳。第阶段，两相界面重新恢复平滑状态，气液两相稳定流动。故发生界面失稳时上循环管中流动状态可总结为分层流波状流界面失稳分层流的变化过程。图 展示了冷凝较为剧烈时，管段内发生界面失稳并进一步发展成为凝结水锤的演化过程。从图中可看出，该过程可大致分为个阶段。第阶段，蒸汽流入上循环管，气液两相稳定分层流动状态。蒸汽在相界面上连续冷凝，使得新的蒸汽持续冲入管道，形成两相的相对速度差，由于开尔文亥姆霍兹不稳定性，相界面呈现波浪状。第阶段，界面波动加快蒸汽冷凝，使在界面上产生更大的速度。较高的蒸汽速度引起“伯努利效应”，从而进一步导致界面失稳。当界面波的波峰接触管壁时，管道内图可视化实验管段示意图 原子能科学技术第 卷图水平管内气液界面演化过程 呈现段塞流状态，形成孤立蒸汽泡。第阶段，由于孤立蒸汽泡与冷水的直接接触冷凝，导致蒸汽泡迅速塌缩，形成局部低压区，蒸汽泡周围冷水受压力梯度作用迅速填满塌缩区域，形成瞬间 的 压 力 冲 击，从 而 产 生 了 凝 结 水 锤 现象。凝结水锤结束后，蒸汽再次流入水平管道，气液两相重新处于分层流动的状态，开始下一个水锤周期。故一个水锤周期中，上循环管中流动状态可总结为分层流波状流界面失稳段塞流凝结水锤全液相分层流的变化过程。从图还可看出，直接接触冷凝导致凝结水锤必先经历界面失稳的演化过程，即分层流、波状流、界面失稳的过程。差异在于仅发生失稳时冷凝更为温和，界面失稳后迅速恢复至分层流状态；发生水锤则需要更剧烈的冷凝过程，使界面失稳进一步演化成段塞流，最终形成水锤。从时间上看，气液界面演化至凝结水锤现象周期性比较明显且演化时间较长。通过凝结水锤发生前的相界面变化，可以预测凝结水锤现象的发生，但界面发展为波状流和发生凝结水锤时间上非常接近，因此可预测的时间较短。在不同工况条件下，管道内的凝结也存在一定差异，主要体现在剧烈凝结的形式和发生位置。在实验过程中，管道内的剧烈凝结的形式主要有界面失稳、大量弥散状液滴凝结、凝结水锤等。在冷水温度 、工况中，主要发生凝结水锤现象、出现较少次数的弥散状液滴凝结，发生位置相对更靠近加热段，如图 所示；工况中，发生凝结水锤现象减少、出现弥散状液滴凝结的次数增加，发生位置更靠近水箱一端，如图 所示；工况中，发生凝结水锤现象占比很小、主要发生弥散状液滴凝结现象，且剧烈凝结现象的频率明显升高，发生位置进一步靠近水箱一端，如图 所示。在冷水温度、工况中，仅发生界面失稳现象，管内液相占比较低，如图 所示。图不同工况水平管内流型图 增刊赵旭崇等：水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究 两相界面演化规律时序图像可反映直接接触水锤和界面失稳等现象的不同特征。为了研究特定位置气液两相随时间变化情况，需生成该位置的时序图像。如图所示，在组空间图像的数据集中，提取图像同一列的像素值并按时间顺序排列，即可生成时序图像。生成的时序图像竖直方向为空间轴，水平方向为时间轴。在实验拍摄过程中，空间图像的亮度不均匀会导致不同位置的时序图像的灰度值存在较大差异，不利于图像的对比研究。本文中采用灰度值拉伸的方法对时序图像进行处理，该方法可拉伸灰度值集中在较暗区域的图像或压缩灰度值集中在较亮区域的图像。图时序图像 将同一组实验的压力数据和时序图像数据放在相同时间坐标系下，如图所示 、工况下不同测点位置的图像。在时序图像中，用矩形标注凝结水锤现象发生的时刻，用圆形标注失稳现象发生的时刻。从图可看出，相同时刻不同位置的界面的波动情况有明显差异。时序图像中，表现为界面失稳时，界面保持稳定；表现为凝结水锤现象时，仅表现为界面失稳；界面波动介于二者之间。时序图像的差异反映出，在 位置的界面波动剧烈，在、位置的界面波动相对平和。通过各测点压力数据确认连续发生的次凝结水锤现象，均在时序图像中有较好的体现。凝结水锤现象的发生位置存在一定随机性，同一工况下只能确定其发生的大致范围，具体位置点无法确定，仅通过压力数据确定凝结水锤现象，会遗漏发生在测点之间的凝结水锤数据。因此，借助时序图像的方法可弥补上述不足，确定发生在测点之间区域的凝结水锤现象。图、工况压力时序数据及时序图像 ，工况参数对凝结水锤的影响 工况参数对凝结水锤周期的影响在时序图像中，凝结水锤出现越密集，表明发生凝结水锤的周期越短。图 展示了相同冷水温度下，加热功率对周期的影响，图中标记了各工况下发生凝结水锤的时刻。在冷水温度 条件下，加热功率为 工况的时序图像中 发 生 凝 结 水 锤 现 象 相 较 加 热 功 率 为工况更密集，从可视化角度直接表明加热功率增大会加剧冷凝现象并缩短凝结水锤的发生周期。设计冷水温度、加热功率 工况和冷水温度、加热功率 工况作为对照实验，研究冷水温度对凝结水锤的发生周期的影响。从时序图像中图、可知，当冷水温度为 时，水平管中仍会频繁发生弥散状液滴凝结或凝结水锤现象，当冷水温度设置为 时，图像中相界面无明显波动，水平管内无水锤发生。原子能科学技术第 卷 工况参数对压力分布的影响频率分布直方图能够显示各组数据的频数分布情况，同时显示各组之间的频数差别。它可以直观地表现实验获得的数据，有助于更好地了解数据分布情况。实验中获得的种工况的压力数据频率分布直方图如图所示。图不同工况下时序图像 图实验压力数据分布直方图 图 展示了在冷水温度为 时，不同功率的压力数据分布。可看出，随着加热功率的增大，循环管各压力测点的高压力值（）和低压力值（）占比有所增加，中等压力值（）占比明显降低。同时，各测点的压力最大值增大，且占比增加。图、展示了在加热功率为时，改变水箱中冷水温度后，各压力测点的压力值分布。可以看出，增大冷水的温度，各测点的压力值分布向中等压力值集中，且最大压力值有明显降低。冷水温度较低时，上循环管段内发生的凝结水锤现象，使得压力值波动较大。而对于某一加热功率，冷水升高到一定温度时，凝结水锤现象不再发生，使得压力值较为稳定、波动范围较小。工况参数对两相界面波动情况的影响时序图像中，两相界面灰度值与气液相存在明显差异，利用图像处理技术对图像进行消增刊赵旭崇等：水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究噪、边缘提取、二值化，设定阈值即可提取出界面，如图、所示。取图像中界面的上限和下限的均值作为界面高度值，绘制界面高度曲线，如图、所示。如图所示，两相界面刚形成时，即图像从仅液相转变为两相流时，界面较为平稳，波动并不明显。随着两相流的继续演化，界面开始波动且波动幅值逐渐增大，并最终形成凝结水锤或界面失稳现象。加热功率会影响两相界面的演化过程。从图可看出，在 工况下，界面演化的时间更短，且在界面不稳定时界面波动幅度更大。在高加热功率工况下，产生的蒸汽量更大，故图像中界面相对高度明显更低，气相占比更高。两相界面作为气相与液相的分界面，其高度变化可以反映出管道中含气率的变化。水平圆管中液面高度与含气率换算关系如下：（）（）（）（）（）式中：为管道中的含气率；为界面相对高度；为液面高度。由式（）和式（）以及界面 相 对 高 度 数 据，即 可 得 到 含 气 率 曲 线。图 展示了两种加热功率的含气率曲线，从图 可看出，高功率工况下，蒸汽填充管道的时间更长，含气率曲线相对更高且波动更剧烈，这将导致更剧烈的冷凝现象，引发更强的水锤过程。图两相界面时序图像（、）及界面高度曲线（、）（，）（，）原子能科学技术第 卷图不同工况下含气率曲线 结论本文搭建了等高差非能动自然循环系统实验台，观测了直接接触凝结水锤的现象。对不同加热功率、不同过冷水温度的设计工况进行了可视化实验和数据测量实验，得到的主要结论如下。）水平管内直接接触冷凝会使气液两相界面产生波动并诱发失稳现象，当冷凝相对温和时，界面会迅速恢复稳定层流状态；若冷凝较为剧烈时，界面失稳将进一步演化成为断塞流，并最终导致凝结水锤现象。凝结水锤现象有明显的周期现象其周期时间相对较长。）压力数据和时序图像之间存在对应关系，二者对于凝结水锤的发生可以相互印证。通过时序图像直接判断凝结水锤的发生，可以作为压力数据的有效补充，用以判断整个实验管段中的凝结水锤现象。）冷水温度和加热功率对凝结水锤的发生周期存在影响。在更高加热功率工况下的水锤周期更短。在时序图像中表现为，高加热功率的时序图像的凝结水锤较为密集，低加热功率的时序图像的凝结水锤较为稀疏。当冷水温度达到 时，在时序图像中无明显波动，此时不发生水锤现象。）时序图像中两相界面高度能反映出该时刻下的含气率，更高加热功率时产生的蒸汽量更大，使两相流状态持续时间更长，含气率更高且波动明显，使得凝结水锤更剧烈。参考文献：赵洪冉，赵智萍核动力在民用船舶上的应用中国水运，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，：，增刊赵旭崇等：水平管内凝结水锤气液界面演化的实验研究 ，：王禄涛，李健，种道彤，等核反应堆余热排出过程凝结 水 击 现 象 实 验 研 究 核 动 力 工 程，（）：，（）：（）刘文兵，张卓华，蔡海刚，等非能动余热排出管内蒸汽凝结水击压力振荡特性实验研究动力工程学报，（）：，（）：，（），：，：魏伟一基于小波域灰度拉伸的 图像分割西 北 师 范 大 学 学 报：自 然 科 学 版，（）：，（）：（）周云龙，王红波，顾杨杨基于图像处理的小通道内气液两相流含气率的实验研究热能动力工程，（）：，（）：，（）原子能科学技术第 卷