竖直向下大支管T型管气相夹带实验研究

竖直向下大支管T型管气相夹带实验研究

丁雷1,2，董博3,4，孟兆明1,2，傅孝良3,4，田文喜1,2，杨燕华3,4，苏光辉1,2

(1.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安710049；

2.西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安710049；

3.国家核电技术公司 软件技术中心，北京102206；

4.国家能源核电软件重点实验室，北京100029)

摘要：基于可视化夹带实验，本文对由水平主管段和大尺寸支管组成的T型管进行夹带起始和稳态夹带研究，并与RELAP5中的气相夹带模型进行对比。结果表明：本实验中夹带起始时所出现的漩涡形式与前人的研究结果相似；稳态夹带实验中观察到一种全新的无旋夹带形式；压差与气相夹带基本为线性关系，T型管主管与支管压差越大，气相夹带越小。

关键词：大支管；竖直向下支管；气相夹带；可视化

中图分类号：TL333 文献标志码：A

收稿日期：2014-07-21;修回日期：2015-03-11

基金项目：大型先进压水堆核电站重大专项资助项目(2011ZX06004-024)

作者简介：丁雷(1989—)，男，江苏邳州人，硕士研究生，核科学与技术专业

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2024

Experimental Study on Gas Entrainment through T-junction

with Large Vertical Downward Branch

DING Lei1,2, DONG Bo3,4, MENG Zhao-ming1,2, FU Xiao-liang3,4,

TIAN Wen-xi1,2, YANG Yan-hua3,4, SU Guang-hui1,2

(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,

Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;

2.SchoolofNuclearScienceandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;

3.StateNuclearPowerSoftwareDevelopmentCenter,Beijing102206,China;

4.NationalEnergyKeyLaboratoryofNuclearPowerSoftware,Beijing100029,China)

Abstract:The onset entrainment and stable entrainment for T-junction composed of a large downward-oriented branch and a horizontal main pipe were researched based on visualization experiment. The gas entrainment experiment results were compared with the calculating results from RELAP5. The experimental results indicate that the formation of vortex at the onset entrainment is similar with the previous research results. A new vortex-free entrainment formation is observed during stable entrainment. The entrainment quantity of gas has linear relation to the pressure difference. The entrainment quantity of gas decreases with the increase of pressure difference between the branch and the horizontal main pipe.

Key words：large branch; downward-oriented branch; gas entrainment; visualization

大支管T型管被广泛应用于电厂的管道网络中，因此对通过T型管的两相流研究很早以前就引起了大家的关注[1]。一些针对竖直向下支管气相夹带的模型已被添加到核电厂系统分析程序(如RELAP5、CATHARE等)中[2-4]，但这些模型均是以热腿或冷腿上的小破口LOCA为背景，即模型皆是基于竖直向下的小支管/小破口的夹带实验得到的，当这些模型用于分析竖直向下的大支管气相夹带时，需重新评估是否还适用。

受重力作用影响，T型管中最容易出现的流型是分层流。当分层流流经T型管接口处时，若液位高度达到临界(即气腔高度达到临界值h)或支管质量流量达到临界值，气相夹带将可能出现[5-7]。气相夹带分为两种，有旋夹带和无旋夹带[6-8]。Smoglie等[7-8]发现，当主管下游流速较小时有旋夹带是不稳定的，而当主管下游流量足够大时气相夹带总是稳定的无旋夹带。Smoglie等[8]提出了忽略黏度和表面张力影响的夹带起始模型和稳态夹带模型，这些模型已被RELAP5和CATHARE程序所采用[3-4]，并被广泛应用。此后，针对有旋夹带和液相横流，Maciaszek等[4]和Yonomoto等[9-10]分别提出了相应的修正因子，但上述夹带研究均是围绕小破口/小支管T型管进行。文献[11-13]从理论上模拟了竖直向下T型管的气相夹带，但基于CANDU堆进出口管道的气相夹带研究仍属于小支管夹带研究领域。

本文针对大支管情况下的气相夹带现象进行实验研究，采用高速摄像仪记录夹带相关现象，与前人的研究结果和RELAP5中气相夹带起始模型进行对比分析。

1实验

1.1实验回路

气相夹带实验回路如图1所示。T型管水平主管段中为分层流，底部为液相，顶部为与大气连通的气相。液相从主管段流入，支管段流出，在一定条件下会夹带一定量气体从支管进入气水分离器。气水分离器出口端连接聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可视化管段，以便于观察，并确保气水分离器排出的气体是干燥的。夹带气量通过接在PMMA可视化管段下游的气体质量流量计测量。此外，恒定流量下，水平主管段液位通过控制支管段上的阀门调节。

图1　气相夹带实验回路示意图 Fig.1　Schematic of test facility of gas entrainment

1.2实验段

本文基于Meng等[14]对AP1000中ADS-4液相夹带实验台架的改造，延用原尺寸实验段进行支管竖直向下的T型管气相夹带实验研究。实验段主管内径D为80 mm，其他参数列于表1。为便于观察，选取PMMA作为T型实验段的材料。T型实验段如图2所示。

表1　实验段主管的几何参数

1.3实验步骤

气相夹带实验分为起始夹带和稳态夹带。实验中，由泵为主管段中气-液两相分层流提供稳定液相流量，通过控制支管段阀门调节主管段液位以寻找夹带起始点。夹带起始发生后，缓慢开大阀门，进行稳态夹带研究。

图2　T型实验段 Fig.2　T-junction test section

夹带起始的判定标准示于图3。夹带起始的判定标准直接影响到实验结果的准确性，本实验中有两个时刻与夹带起始点密切相关：一个是缓慢增加气腔高度时，有漩涡开始夹带气泡进入气水分离器的时刻(图3a)；另一时刻发生在上一阶段的逆过程中，在夹带产生后缓慢增加液位高度，夹带停止的时刻(图3b)。因此，将这两个时刻气腔高度的平均值定义为该流量下夹带起始临界高度hb。

a——有旋夹带和夹带气泡；b——无夹带气泡 图3　夹带起始的判定标准 Fig.3　Criterion of onset entrainment

实验在常温、常压下进行，液相流量为3 t/h。为准确得到夹带起始临界高度，液位变化必须控制得足够缓慢(<1 mm/min)。因而，支管泄流量被认为等于主管段给水量，实验假设为稳态实验。

2实验结果

2.1夹带起始的可视化研究

前人对竖直向下支管气相夹带的研究均集中在对小支管的研究，包括热腿或冷腿上的小破口[6-8]和CANDU堆的给水构件[5,15]等，支管内径d与主管内径D的比值均小于0.2，且支管内的流型状况未被记录。

本实验采用d/D为0.625的大支管T型实验段。通过大支管T型管的气相夹带形成过程如图4所示。对比Reimann等[6]对小支管夹带的研究可发现，与小支管夹带相似，大支管气相起始夹带也是有旋夹带。有旋夹带通常是不稳定的，且是间歇性出现。有旋夹带发生时，空气被以气泡形式夹带进支管，形成泡状流。同时，在T型管接口处会生成气室。

a～f为夹带起始顺序编号 图4　夹带形成的过程 Fig.4　Formation process of entrainment

2.2RELAP5中的夹带模型

RELAP5是核电厂系统安全分析的常用软件，其中采用了针对竖直向下的T型管气相夹带计算的夹带模型，但研究发现其夹带模型对竖直向上的大支管气相夹带的模拟是不准确的[16]。因为RELAP5中的夹带模型来源于小支管气相夹带研究。因此，本文对RELAP5中的夹带模型是否适用于竖直向下的大支管气相夹带进行研究。

Froude数Fr定义如下：

(1)

其中：ρL为液相密度；v3L为支管液相流速；g为重力加速度；ρG为气相密度；W3L为T型管支管泄流流量。

RELAP5中竖直向下T型管气相夹带的夹带模型为：

(2)

将式(1)代入式(2)得：

(3)

其中，hb/d和Fr分别代表夹带起始时的临界气腔高度hb和支管泄流流量W3L的无量纲量。

式(3)计算结果与实验数据的对比如图5所示。由图5可见，RELAP5的计算结果与实验数据的变化趋势基本相同，但在对hb的预测中，RELAP5的计算结果明显高于实验数据。这可能是由于RELAP5中的夹带模型已不适用于大尺寸支管气相夹带，需对竖直向下大支管的气相夹带进行进一步研究。

图5　RELAP5计算结果与实验数据的对比 Fig.5　Comparison of calculated values of RELAP5 and experimental data

图6　有旋夹带向无旋夹带的过渡 Fig.6　Transition of vortex entrainment to vortex-free entrainment

2.3稳态夹带可视化研究

夹带起始完成后，继续增大气腔高度，夹带实验进入稳态夹带阶段。实验显示，随着气腔高度增加，流型由有旋流转变为无旋流。有旋夹带向无旋夹带的过渡如图6所示，由图6可见漩涡消失，支管入口处液面波动剧烈，且气室仍然存在。无旋气相夹带如图7所示，该阶段主管上游液位明显高于下游，支管口处气室更大，并有大量气泡从无旋涡尾部被夹带进入支管段。

a～f为无旋气相夹带顺序编号 图7　无旋气相夹带 Fig.7　Vortex-free gas entrainment

竖直向下小支管气相夹带如图8所示。对比图7、8可发现，本实验与小支管气相夹带的无旋流型式有很大差异。Reimann等[6]的研究指出，对于小支管夹带，受壁面摩擦因子影响，无旋流在更低的液位出现，且液位降低也会抑制有旋流。对于大支管夹带，过大的支管横截面无法被较低的泄流流量充满是产生无旋流的主要原因，如图9所示。

图8　竖直向下小支管无旋气相夹带 [8] Fig.8　Vortex-free gas entrainment of downward-oriented small branch [8]

2.4压差对夹带的影响

对于小支管T型管的有旋和无旋夹带，气腔高度和支管泄流流量是影响气相夹带的主要因素。但大支管无旋夹带与小支管的机理不同(图8)。本实验中恒定流量下，T型管主管段上、下游的液位是稳定的，但通过控制支管上的阀门改变T型管支管和主管压差，气相夹带量也会随着发生变化。这说明T型管主管和支管的压差也是夹带的影响因素。

不同压差下的气相夹带如图10所示，可见压差小的支管段中气泡更多。压差对气相夹带的影响如图11所示，压差与气相夹带基本为线性关系，T型管主管与支管压差越大，气相夹带量越小。而压差减小的同时，支管入口处气室会增大，气相夹带的增强可能是由气室的增大导致。

a——无旋夹带图像；b——无旋夹带示意图 图9　大支管的无旋夹带 Fig.9　Vortex-free entrainment of large branch

a——主管支管压差较大；b——主管支管压差较小 图10　不同压差下的气相夹带 Fig.10　Gas entrainment under different pressure differences

图11　压差对气相夹带的影响 Fig.11　Effect of pressure difference on gas entrainment

3结束语

本文对竖直向下大支管T型管的气相夹带进行实验研究，与小支管夹带相似，大支管起始夹带也是有旋夹带。在T型管接口处可观察到一个气室，在压差作用下，气体从漩涡尾部夹带出并融入该气室。

对RELAP5中的气相夹带模型的适用性进行分析。RELAP5计算的起始液位高度明显高于实验数据，这可能是由于RELAP5中的夹带模型已不适用于大尺寸支管气相夹带。

在稳态夹带实验中发现了一种与先前研究完全不同的无旋夹带。分析认为，因支管截面积过大，液相无法填满整个支管，无旋夹带得以产生。

研究发现，随着T型管主管和支管间的压差减小，气相夹带增强。气室在压差对夹带的影响中可能起到重要作用。

参考文献：

[1]ZUBER N. Problems in modeling of small break LOCA[R]. US: Nuclear Regulatory Commission, 1980.

[2]ARDRON K H, BRYCE W M. Assessment of horizontal stratification entrainment model in RELAP5 MOD2 by comparison with separate effects experiments[J]. Nucl Eng Des, 1990, 122: 263-271.

[3]DIVISION N S A. RELAP5/MOD3.3 code manual, Volume 4: Models and correlations[R]. US: Information Systems Laboratories, Inc., 2001.

[4]MACIASZEK T, MICAELLI J C. CATHARE phase separation modeling for small breaks in horizontal pipes with stratified flow[J]. Nucl Eng Des, 1990, 124: 247-256.

[5]BOWDEN R C, HASSAN I G. The onset of gas entrainment from a flowing stratified gas-liquid regime in dual discharging branches, Part Ⅰ: Flow visualization and related phenomena[J]. Int J Multiphase Flow, 2011, 37: 1 358-1 370.

[6]REIMANN J, KHAN M. Flow through a small break at the bottom of a large pipe with stratified flow[J]. Nucl Sci Eng, 1984, 88: 297-310

[7]SMOGLIE C, REIMANN J, MULLER U. Two-phase flow through small breaks in a horizontal pipe with stratified flow[J]. Nucl Eng Des, 1987, 99: 117-130.

[8]SMOGLIE C, REIMANN J. Two-phase flow through small branches in a horizontal pipe with stratified flow[J]. Int J Multiphase Flow, 1986, 12: 609-625.

[9]YONOMOTO T, TASAKA K. Liquid and gas entrainment to a small break hole from a stratified 2-phase region[J]. Int J Multiphase Flow, 1991, 17: 745-765.

[10]YONOMOTO T, TASAKA K. New theoretical model for two-phase flow discharged from stratified two-phase region through small break[J]. J Nucl Sci Technol, 1988, 25: 441-455.

[11]AHMED M A. Theoretical analysis of the onset of gas entrainment from a stratified two-phase region through two side-oriented branches mounted on a vertical wall[J]. J Fluids Eng, 2006, 128: 131-141.

[12]LEE J Y, HWANG S H, KIM M, et al. Onset condition of gas and liquid entrainment at an inclined branch pipe on a horizontal header[J]. Nucl Eng Des, 2007, 237: 1 046-1 054.

[13]SALEH W F. Two-phase flow structure at header-channel junctions: PIV experiments and modeling[D]. Canada: Concordia University, 2008.

[14]MENG Z, FU X, DING L, et al. Experimental and theoretical investigation of liquid entrainment through small-scaled ADS-4 in AP1000[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 57: 177-187.

[15]HASSAN I G, SOLIMAN H M, SIMS G E, et al. Single and multiple discharge from a stratified two-phase region through small branches[J]. Nucl Eng Des, 1997, 176: 233-245.

[16]REYES J N, GROOME J T, LAFI A Y, et al. Final report of NRC AP600 research conducted at Oregon State University[R]. US: Nuclear Regulatory Commission, 1999.