在两相平衡和非平衡流动条件下，对1×2棒束中气相迁移行为的实验研究

《Nuclear Engineering and Design》：Experimental investigation of gas-phase migration behaviors in a 1 × 2 rod bundle under two-phase equilibrium and non-equilibrium flow

气泡尺寸与空泡率梯度在非平衡两相流中的实验研究 | 线束混合 | Wire Mesh传感器 | 气液两相流 | 子通道迁移机制

　　

谢浩|曲文海|熊金彪

上海交通大学核科学与工程学院，中国上海

摘要

假设空隙分数梯度是子通道之间空隙迁移的机制。然而，基于这一假设的经典空隙迁移模型在气泡流和帽状气泡流条件下预测的结果与实验数据不符。在这项工作中，通过使用金属网传感器（WMS）系统，在平衡和非平衡气体流速下，对扩大后的1×2棒束中的空隙分数和气泡直径进行了实验研究。总共研究了168种情况，涵盖了气泡流、帽状气泡流和涡流，这些流动情况是根据气泡形状和体积-基概率密度函数（VPDF）定义的。通常情况下，小气泡聚集在通道壁附近，而大气泡则集中在子通道中心。对于气泡流和帽状气泡流，气泡通过子通道间隙移动较为困难。因此，经典空隙迁移模型在气泡流和帽状气泡流条件下的预测结果与实验数据存在偏差。然而，当气泡直径大于棒束间距的0.75倍时，空隙迁移现象明显改善，因为此时气泡足够大，能够扰动相应的子通道。在气泡流和帽状气泡流条件下，大气泡会在每个子通道中聚集。随着气体表观速度的增加，大气泡的空隙分数和直径增大，而小气泡的VPDF减小。随着液体表观速度的增加，大气泡的空隙分数和直径减小，而小气泡的VPDF增大。对于涡流，子通道之间的强烈空隙迁移主要是由直径大于32毫米的大气泡引起的。因此，在平衡和非平衡入口条件下，空隙分数的均匀分布可以在1830毫米的距离内形成。这就是为什么经典空隙迁移模型在涡流条件下的预测结果与实验数据较为吻合的原因。在涡流中，大气泡会破裂。随着气体表观速度的增加，大气泡的空隙分数和直径增大，而小气泡的VPDF减小。随着液体表观速度的增加，大气泡的空隙分数和直径减小，而小气泡的VPDF增大。这项工作有助于理解气体在子通道之间的迁移机制。

引言

在压水反应堆（PWR）的事故场景中，气泡流、帽状气泡流和涡流之间的两相流混合显著提高了子通道之间的质量、动量和能量传输，增强了传热效率，并降低了燃料组件中的峰值包壳温度。

在之前的研究中，研究人员（Pang和Cheng（2014）考虑了三种两相子通道混合效应，包括分流横流、湍流混合和空隙迁移。分流横流是由相邻子通道之间的压力差引起的，可以将其建模为横流阻力。然而，目前尚不清楚空隙迁移的机制。Lahey和Moody（1977）提出了等体积交换湍流混合和空隙迁移（EVVD）模型，该模型被广泛用于子通道代码中，例如COBRA（Glück（2008）和MATRA（Hwang等人（2000））。在这个模型中，假设由湍流混合和空隙迁移引起的净两相子通道混合流量与相邻子通道之间的非平衡空隙分数梯度成正比。然而，在评估EVVD模型时，预测的空隙分数与实验数据存在超过100%的偏差（Pang和Cheng（2017），Hwang等人（2000））。因此，需要进一步研究子通道混合中的空隙迁移机制。Pang和Cheng（2014）使用计算流体动力学（CFD）模拟了双子通道中的气泡流。升力将小气泡推向通道壁，增加了间隙附近的空隙分数；而升力将大气泡推向子通道中心。因此，大气泡难以通过间隙。通过管道中气泡行为的实验研究（Tomiyama等人（2002），Dijkhuizen等人（2010），Lucas和Tomiyama（2011）以及单子通道中气泡行为的直接数值模拟（DNS）（Fang和Bolotnov（2017）），验证了升力对小气泡和大气泡方向相反的事实。然而，空隙迁移机制仍需要详细的实验研究。

在过去的25年里，通过先进的测量技术对气泡行为进行了实验研究，包括阻抗空隙计（Chen等人（2012））、四传感器光学探针（Han等人（2019））、四传感器电导率探针（Liu等人（2018））、金属网传感器（Prasser等人（2001），Prasser（2007））、伽马密度计（Kok等人（2001）和中子断层扫描（Kureta（2007），Ami等人（2023））。在这些测量技术中，辐射方法需要使用繁琐且昂贵的辐射设备，并给研究人员带来辐射防护问题，而阻抗空隙计、电导率探针和光学探针则是通过点对点的方式测量空隙分数。金属网传感器（WMS）由于能够同时进行横截面测量，是一种有前景的测量方法（Xiong等人（2023a））。通过与Al-Yahia等人（2023）报告的流量计相比，WMS测量的空隙分数的不确定性为20%；与Tompkins等人（2018b）报告的伽马密度计相比，不确定性为10.5%。Prasser（2007）估计WMS测量气泡直径的不确定性为10%，Yang和Xiong（2022）通过高速相机进行了验证。

大多数关于使用WMS测量裸露棒束中空隙分数和气泡直径的先前实验研究都是在平衡条件下进行的。Arai等人（2012）使用WMS测量了10×10棒束中的空隙分数和气泡直径，棒束的直径为10毫米，间距为13毫米。WMS的11根金属丝从测量平面的20$D_h$到293$D_h$插入22个子通道的中心线。气泡在棒束入口处均匀注入。在气泡流条件下，空隙分数和气泡直径在197时达到最大值；在涡流条件下，空隙分数和气泡直径在293时达到最大值。在气泡流条件下，大多数气泡的直径小于4毫米，因此间隙处的空隙分数高于子通道中心。在涡流条件下，气泡直径范围从1毫米到100毫米。大气泡集中在子通道中心，导致子通道中心的空隙分数高于间隙处的空隙分数。Al-Yahia等人（2023）使用空间分辨率为2.125毫米的WMS，在平衡气泡流条件下测量了扩大后的4×4棒束中的空隙分数分布。16个子通道中的空隙分数在子通道中心达到峰值。气泡直径的概率密度函数（PDF）在5.0毫米和12.0毫米附近有两个局部峰值。随着气体表观速度的增加，子通道中峰值PDF处的空隙分数和气泡直径增大，而随着液体表观速度的增加，它们减小。

只有少数研究考虑了棒束中两相流的非平衡状态。Yan等人（2023b）研究了扩大后的1×2紧密晶格子通道中的非平衡空气-水流，棒束的直径为42毫米，间距为44.6毫米。在气泡流和帽状气泡流条件下，存在从有气泡注入的子通道到无气泡注入的子通道的弱空隙迁移，其中子通道中的空隙分数在115.8$D_h$后仍未达到平衡。在塞流条件下，存在强烈的空隙迁移，子通道中的空隙分数在115.8$D_h$后达到平衡。在气泡流条件下，高空隙分数位于间隙处，因为大多数气泡的直径小于6毫米。在帽状气泡流条件下，高空隙分数位于子通道中心，因为直径在11毫米到50毫米之间的大气泡位于子通道中心。在塞流条件下，高空隙分数也位于子通道中心，因为直径在11毫米到80毫米之间的大气泡位于子通道中心。上述实验研究的详细信息见表1。

在本文中，使用WMS对1×2子通道在平衡和非平衡两相流条件下的气相迁移进行了实验研究，并基于实验数据讨论了气泡行为。

实验设施和测试部分

使用了上海交通大学的棒束空气-水两相流测试设施。如图1所示，测试设施包括水循环系统和空气循环系统。水循环系统包括水箱、离心水泵（流量为20 m³/h）、电磁流量计（20 m³/h，1%）、压力表（0.4 MPa，1%）和电磁调节阀。通过电磁调节阀可以调整通过测试部分的水流速度

实验结果

在本部分中，讨论了不同流速条件下平衡和非平衡空气流速下的两相流模式、空隙分数和气泡直径。

结论

在这项工作中，使用WMS系统在平衡和非平衡气体流速下，对扩大后的1×2棒束中的空隙分数和气泡直径进行了实验研究。与气体流量计相比，WMS的不确定性为20%。总共研究了168种情况，涵盖了气泡流、帽状气泡流和涡流。这项工作有助于理解棒束中的空隙迁移机制。结论如下：

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通常情况下，小气泡聚集在通道壁附近，导致局部空隙分数最大

CRediT作者贡献声明

谢浩：撰写——原始草案，实验研究。曲文海：撰写——审阅与编辑，方法学，资金获取。熊金彪：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（12105169）和上海交通大学青年教师启动基金（SFYF at SJTU）的支持。