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多孔蒸汽浸没射流压力振荡强度特征分析

2020-08-28 149 上传者：管理员

摘要：实验研究了一定冷却水温度和蒸汽质量流率范围内出口直径为8mm的多孔喷嘴射流压力振荡强度特性。结果表明：孔间距和孔数对压力振荡强度的轴向分布规律无影响，即压力振荡强度随轴向无量纲距离的增大先增大后减小，存在明显的峰值点；随蒸汽质量流率的增大，峰值增大、峰值点后移。相同汽水参数条件下，随孔数的增多，压力振荡强度增大，峰值增大、峰值点后移；随无量纲孔间距的增大，双孔压力振荡强度先增大后减小，峰值先增大后减小，峰值点先后移再向前移；三孔1.5的压力振荡强度小于三孔1.2和三孔2.0。不同孔间距多孔喷嘴压力振荡峰值和峰值点位置随冷却水温度的变化规律不尽相同。

关键词：
压力振荡强度
多孔喷嘴
孔数
孔间距
蒸汽质量流率
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发展低碳清洁能源是中国能源改革的主要方向之一，核电作为低碳能源，具有“近零排放”“低污染”等特点，而安全高效是发展核电的基本要求。沸水堆中失水事故时的抑压池、压水堆中泄压罐、先进非能动压水堆的补水箱等场合均有汽水直接接触凝结现象，这些过程多涉及多孔喷嘴射流凝结。因此，对多孔喷嘴射流凝结过程的研究具有重要意义。

Song等人[1,2]在研究中发现压力振荡幅值在池水过冷度为20℃左右时出现峰值，且随过冷度的减小而不断减小。Hong等人[3,4,5]发现压力振荡强度随着汽水温差的增大而增大，随着蒸汽质量流率的增大而减小。武心壮等人[6,7]的研究发现压力振荡峰值总体上随温度升高而增大，但在水温较高时出现下降趋势。Cho等人[8]率先对孔径为5mm的多孔喷嘴压力振荡进行了实验研究，发现压力振荡脉冲的振幅在冷却水温度为45～85℃的范围内出现峰值。同时，Cho等人[9]研究了多孔压力振荡和汽羽形状，发现稳定凝结区的压力振荡幅值随蒸汽质量流率的增加而减小。

Park等人[10]研究多孔喷射蒸汽凝结发现压力振荡幅值随冷却水温度的升高先增大后迅速减小。Park等人[11,12]对应用于APR1400反应堆中的I型喷洒器进行了研究，提出了多孔射流凝结流型图。柴庆竹和武心壮等人[13,14]对饱和蒸汽通过多孔喷头在冷却水中射流凝结引起的压力振荡特性进行了实验研究，获得了多孔射流凝结的流型。武心壮等人[15]对双孔蒸汽浸没射流压力振荡幅值特性进行了研究，发现压力振荡幅值随着轴向距离的增大先增大后减小，且随冷却水温度的升高先增大，而随孔间距的增大先减小后增大。

现有研究多针对较多孔数和较大孔间距的多孔喷头，且已获得多孔射流压力振荡特性的一些实验结果，但多孔数和大孔间距喷头射流混合严重，较难捕捉汽羽与汽羽之间的分界，因此较难获得孔的结构参数对多孔射流压力振荡特性的影响。实验对不同孔间距双孔和三孔喷嘴射流压力振荡特性进行了研究，旨在获得冷却水温度、蒸汽质量流率和孔的结构参数对多孔压力振荡空间分布特性、峰值特性的影响，为今后研究多孔蒸汽浸没射流的流动特性积累实验依据，也为工程实际中设备的尺寸选择、安装位置及如何有效避开压力振荡峰值和峰值位置提供指导。

1、实验系统与方法

1.1 实验系统

多孔蒸汽浸没射流压力振荡实验系统如图1所示，主要包括蒸汽发生装置、多孔喷嘴、控制系统、测量系统、可视化系统、数据采集系统、阀门和连接管道等。蒸汽发生装置产生的饱和蒸汽依次通过稳压罐、流量计、调节阀和连接管道由喷嘴不断喷入冷却水中进行凝结换热。利用移动的三维支架来测量流场中不同位置处的压力值，并用数据采集系统进行记录。在水箱壁面均匀布置8只热电偶用来获得冷却水温度。利用高速摄像机获得蒸汽凝结形态。喷嘴之前的管道上安装有静态压力传感器和热电偶用于测量入口蒸汽参数，并通过调节蒸汽发生装置的功率和调节阀来改变蒸汽参数，通过NI采集系统获得汽水参数，采样频率为5000Hz，详细的实验条件如表1所示。

图1实验系统示意图

表1实验条件

为保证到达多孔板之前的蒸汽流动平稳，故多孔喷嘴内径与蒸汽管道内径相同，为50mm，长为171mm，喷嘴具体结构示如图2(a)所示；图2(b)所示为孔径为8mm的多孔板结构示意图，直径为96mm，无量纲孔间距分别为1.2、1.5、2.0，孔数为1、2、3。

图2多孔喷嘴结构设计图

由于压力波在水中衰减较快，因此为了研究其在水中传播特性，压力测点的布置应该尽量靠近喷嘴处。然而，由于固定杆和压力传感器等为刚性材料，若处在流场中心会对其造成干扰，因此测点又应该尽量远离核心蒸汽区。因此整个压力测点布置如图3所示。考虑本实验中多孔板的大小、压力传感器探头的大小以及实验所需，所选测点位置为径向无量纲4、轴向无量纲位置为2～15处。

同时，为了便于描述空间位置，定义了两个参数，轴向、径向无量纲距离：

式中：x——实际轴向距离/mm;r——实际径向距离/mm;de——喷嘴出口直径/mm。

图3压力测点分布示意图

2、结果与分析

2.1 空间分布特性

图4单孔压力振荡强度随轴向位置的变化

图5双孔压力振荡强度随轴向位置的变化

图6三孔压力振荡强度随轴向位置的变化

图4、图5和图6所示分别为不同汽水参数条件下单孔、双孔和三孔喷嘴压力振荡强度随轴向位置的变化规律。从图中可以看出，当冷却水温度较低和蒸汽质量流率较小时，单孔和多孔压力振荡强度均随轴向无量纲距离的增大而逐渐减小，不存在峰值点；当冷却水温度较高和蒸汽质量流率较大时，压力振荡强度随轴向无量纲距离的增大先增大后减小，存在明显的峰值点；且随蒸汽质量流率的增大，峰值增大、峰值点后移。这与前人对单孔和双孔[15]压力振荡空间分布特性研究所获得的规律相同。这是由于不论孔数的多少，在射流过程中均存在热量和质量的传递交换过程，其产生界面波动，这样的波动导致界面附近的压力分布不均，从而产生了压力波并且向整个空间传播，且峰值点位置即压力振荡最剧烈的核心汽羽尾部。

2.2 孔结构参数的影响

(1)孔间距的影响

由单孔和多孔的空间分布特性可知，其压力振荡强度随轴向位置的变化规律相同，因此对比相同汽水参数条件下单孔、不同孔间距双孔和三孔的压力振荡强度，可以得到孔间距对压力振荡强度的影响。

图7和图8所示分别为单孔和不同孔间距双孔、三孔喷嘴压力振荡强度的对比情况。由图可知，孔间距对压力振荡强度的轴向分布规律无影响；随无量纲孔间距的增大，双孔压力振荡强度先增大后减小，其峰值先增大后减小，峰值点位置先后移再向前移；三孔1.5的压力振荡强度小于三孔1.2和三孔2.0。当冷却水较低时，三孔1.2的压力振荡强度明显大于三孔2.0，因为此时冷却水的冷却能力较强，三孔2.0相邻汽羽间冷却水区大于三孔1.2，故可以更快的将蒸汽冷却，故孔间距的影响占主导；当冷却水温度较高时，三孔1.2和三孔2.0的压力振荡强度比较接近，此时冷却水的冷却能力下降，故汽水参数的影响占主导。

图7不同孔间距双孔喷嘴压力振荡强度对比

图8不同孔间距三孔喷嘴压力振荡强度对比

(2)孔数的影响

相同条件下，孔数越多，相同时间内进入冷却水箱的蒸汽越多，冷却时间增长。图9和图10所示均为相同汽水参数条件和孔间距下单孔、双孔和三孔喷嘴压力振荡强度的对比情况。由图可知，相同条件下，单孔压力振荡强度明显小于双孔和三孔压力振荡强度；且随孔数的增多，压力振荡强度增大，峰值增大，峰值点后移。这是由于随着孔数的增多，相同时间内进入冷却水箱的蒸汽增多，一方面对水箱中冷却水的扰动增大，另一方面蒸汽不能及时被冷却，汽羽也会向后延伸，故振荡强度增大。

图9不同孔数压力振荡强度对比（G=500kg/m2·s、tw=50℃）

图10不同孔数压力振荡强度对比（G=600kg/m2·s、tw=45℃）

图11峰值点位置随冷却水温度的变化

2.3 峰值特性

由多孔压力振荡强度的空间分布特性可知，不同汽水参数和孔布置形式条件下，存在明显的压力振荡峰值点，且随蒸汽质量流率的增大，峰值增大、峰值点后移。对单孔和多孔喷嘴所有实验工况下的峰值和峰值点位置进行统计，从而获得其随冷却水温度的变化规律，进而为工程实际中设备的尺寸选择、安装位置及如何有效避开多孔射流压力振荡峰值和峰值点提供指导。

(1)冷却水温度对峰值点的影响

图11所示为单孔和多孔峰值点位置随冷却水温度的变化规律。由图可知，随着冷却水温度的不断升高，单孔和不同孔间距多孔峰值点位置整体呈向后偏移的趋势；双孔1.2、双孔1.5和三孔2.0的峰值点在60°C时出现向前移的趋势；三孔1.5的峰值位置先向后移再向前移后又向后移。因此，多孔压力振荡强度复杂于单孔射流，其是汽水参数和孔结构参数的综合表现，不同条件下，占主导的因素不同，结果不同。

(2)冷却水温度对峰值的影响

图12为单孔和多孔峰值随冷却水温度的变化规律。由图可知，随冷却水温度的升高，单孔和不同孔间距双孔喷嘴压力振荡峰值先增大后减小，而不同孔间距三孔喷嘴压力振荡峰值变化规律不统一。

可以看出，随着冷却水温度的不断升高，三孔1.2的压力振荡峰值先缓慢增大后迅速减小再增大，在60℃左右出现一个最小值；三孔1.5的峰值先减小后增大，在40℃左右出现最小值；三孔2.0的峰值整体呈增大的趋势。

图12峰值随冷却水温度的变化

3、结论

(1)单孔和多孔压力振荡强度空间分布特性相同，当冷却水温度较低和蒸汽质量流率较小时，压力振荡强度均随轴向无量纲距离的增大而逐渐减小，不存在峰值点；当冷却水温度较高和蒸汽质量流率较大时，压力振荡强度随轴向无量纲距离的增大先增大后减小，存在明显的峰值点；且随蒸汽质量流率的增大，峰值增大、峰值点后移。

(2)孔的结构参数对压力振荡强度的轴向分布规律无影响；相同汽水参数条件下，随孔数的增多，压力振荡强度增大，峰值增大，峰值点后移；随无量纲孔间距的增大，双孔压力振荡强度先增大后减小，其峰值先增大后减小，峰值点位置先后移再向前移；三孔1.5的压力振荡强度小于三孔1.2和三孔2.0。

(3)不同孔间距多孔喷嘴压力振荡强度复杂于单孔喷嘴，不同条件下，占主导的因素不同，压力振荡峰值和峰值点位置随冷却水温度的变化规律不尽相同。

参考文献：

[6]武心壮,潘如东,严俊杰.蒸汽浸没射流凝结引起的冲击特性研究[J].工程热物理学报,2012,33(5):805~808.

[7]武心壮,邱斌斌,种道彤,等.单喷嘴蒸汽射流凝结引起的压力振荡研究[J].西安交通大学学报,2014,48(1):48~52.

[13]柴庆竹,武心壮,邱健,等.多孔蒸汽射流压力振荡特性研究[J].机电信息,2016,540(3):126~128.

[14]武心壮,郭丹丹,田林,等.蒸汽射流凝结压力振荡幅值研究[J].核动力工程,2014,35(3):37~41.

[15]武心壮,黄晨希,陈伟雄,等.双孔蒸汽浸没射流压力振荡幅值特性研究[J].工程热物理学报,2019,40(4):851~856.

王迎春,梁启煜,陈伟雄,严俊杰.多孔蒸汽浸没射流压力振荡强度特性研究[J].电站系统工程,2020,36(05):16-20.

基金:国家自然科学基金项目(No.51506167)资助.

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期刊名称：核安全

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主管单位：生态环境部

主办单位：国家环境保护总局核安全中心

出版地方：北京

专业分类：科技

国际刊号：1672-5360

国内刊号：11-5145/TL

邮发代号：无

创刊时间：2003年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

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