摇摆条件下微液层厚度与质量流量关系∗

宋 建 袁江涛 廉海波

（海军潜艇学院 青岛 266199）

1 引言

运动条件对堆芯各流道的CHF产生影响，不同运动方式对堆芯流道CHF又不相同，同时，若考虑多样式运动条件与CHF计算主要依托经验关系的现状，因此，给出完备、准确的数理模型存在困难。高璞珍［1］实验发现，由于自然循环的流量相对强迫循环明显降低，因此，在其开展的几乎所有自然循环实验中（包括摇摆和不摇摆情形），所测得的流量值均出现所谓的“随机流量波动现象”，并随着出口流体物性值的增加而增加。但这种随机波动现象在相应的强迫循环中却并未出现。对于未发生流量剧烈波动就出现临界的情形，自然循环和强迫循环没有显著差异。低流量达临界时，实验段上部均可见明显含汽两相流动，个别实验临界工况时，甚至出现离散的环状流。对于接近CHF前流量波动剧烈的自然循环工况，由于CHF重复性较差，故不适合于拟合公式，进而造成目前尚未有预测大的流动波动发生的满意方式。本文将基于传统的无摇摆稳态CHF的计算公式对运动条件工况进行修正，进而得到对运动条件下的微液层与堆芯通道质量流量的关系。

2 微液层蒸干机理模型简介

微液层理论最早由 Cooper等［2～4］通过粘性边界层理论提出，并提出了基于Pr、气泡生长时间和空泡份的初期厚度表达式。但该表达式由于没有考虑表面张力的影响，故仅限于生长时间较短的单气泡 模型。 微 液层蒸 干机理模 型由 Ivey［5～6］和 Mudawar［7～8］对 Kutateladze过冷沸腾临界第一关系式改进后提出，后经西安交通大学苏光辉、秋穗正等［9］再次改进，并提出运动条件下微液层蒸干机理模型，适用于重力加速度和附加加速场的叠加场条件下分析运动条件对DNB型CHF的影响。

假设加热壁面附近产生的小气泡结合形成大汽块，在汽块下存在非常薄的液相层，称为微液层，如图1所示。汽块移动过程中，当汽块下的液相全部蒸干时，该点处的加热壁面被单相蒸汽覆盖从而导致传热恶化，进而导致DNB型CHF发生，记为DNB-CHF，或 qDNB，并且存在如下关系［10］：

式中，δ为汽块下微液层厚度，单位m；UB为汽块移动速度，单位m/s；LB为汽块长度，单位m，通常取Helmholtz临界波长。因此，根据式（1）可知，基于运动条件尾页第模型求解DNB型临界热流密度CHF需要首先求解δ、UB和LB等三个关键参数，表达式为［11］

其中，汽块长度采用Helmholtz临界波长公式［12～13］：

3 运动微液层厚度与质量流量的关系

本文研究对象——小型一体化自然循环压水堆堆芯控制体截面划分示意及具体编号如图1所示。以44组、闭式组件堆芯燃料组件，总加热功率10MW。

图1 堆芯流道划分横截面划分示意

考虑到摇摆条件下，流量波动最大的通道为周向外侧通道，故图2～图4以周向外侧单通道（CH44）为对象，给出了运动条件下维持系统压力5MPa、含汽率分别为0～0.15范围内的微液层厚度、冷却剂质量流量与DNBR-CHF的关系。

图2 微液层厚度、质量流量随时间变化关系

图3 基于微液层理论的临界热流密度、质量流量随时间变化关系

图4 基于微液层理论的临界热流密度、质量流量之间变化关系

由图2～图4计算结果可以得到以下结论。

1）摇摆条件下，临界热流密度CHF随着加热通道内质量流量的增加而增大，二者几乎同时变化，不存在明显的时间滞后效应，即在微液层理论中管壁蓄热效应几乎可以忽略，不改变二者变化关系单调性，进而可以认为，运动条件下的自然循环系统，若流量波动较为剧烈的单通内一旦发生局部失流，将会在较短时间内引发加热元件烧毁，即超过最小临界热流密度比DNBR（Departure from nucleate boiling ratio）。

2）摇摆条件下，由微液层理论模型计算得到的微液层厚度随着热通道内质量流量的增加而增大，因为恒定功率下，若发生加热单通道内冷却剂流体质量流量降低，对流换热减弱，加热壁面导热增强并逐步占优，热边界层和流动边界层内部温度显著升高，极可能发生局部沸腾（包括过冷、饱和沸腾）、闪蒸（汽液界面处），即发生传热危机，直接导致热边界层、流动边界层厚度的变薄或消失，从而导致微液层厚度也将随之减薄。

3）周期性摇摆直接造成各加热通道内冷却剂质量流量的周期性波动，并进一步加热表面微液层和临界热流密度的周期性波动，若忽略由壁面蓄热效应引起的无量纲传热系数Nu变化的迟滞效应，可以认为三者在变化上具备同步性、同向性。

4）基于运动微液层理论得到的临界热流密度CHF值较表格AECL-UOqCHF偏低，平均偏差11%以内，故应用运动微液层理论开展临界热流密度研究可以认为具有合理、且可接受的保守型。

4 结语

本文基于微液层理论，对微液层厚度和堆芯通道质量流量的关系进行了计算研究，得到如下结论。

1）摇摆条件下，运动条件下的自然循环系统，若流量波动较为剧烈的单通内一旦发生局部失流，将会在较短时间内引发加热元件烧毁，即超过最小临界热流密度比DNBR（Departure from Nucleate Boiling Ratio）。

2）摇摆条件下，由微液层理论模型计算得到的微液层厚度随着热通道内质量流量的增加而增大，诱发发生传热危机，直接导致热边界层、流动边界层厚度的变薄或消失，从而导致微液层厚度也将随之减薄。

3）周期性摇摆直接造成各加热通道内冷却剂质量流量的周期性波动，并进一步加热表面微液层和临界热流密度的周期性波动，若忽略由壁面蓄热效应引起的无量纲传热系数Nu变化的迟滞效应，可以认为三者在变化上具备同步性、同向性。

4）基于运动微液层理论得到的临界热流密度CHF值较表格AECL-UOqCHF偏低，平均偏差10%以内，故应用运动微液层理论开展临界热流密度研究可以认为具有合理且可接受的保守型。