蒸汽射流壓力振蕩主頻研究

武心壯，邱健，郭丹丹，邱斌斌，嚴(yán)俊杰

（1國家核電技術(shù)公司，上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233；2西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

蒸汽射流壓力振蕩主頻研究

武心壯1，邱健1，郭丹丹1，邱斌斌2，嚴(yán)俊杰2

（1國家核電技術(shù)公司，上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233；2西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

在穩(wěn)定射流區(qū)，對飽和蒸汽在過冷水中浸沒射流凝結(jié)引起的壓力振蕩特性進(jìn)行了研究，測量得到了不同汽水參數(shù)下的壓力振蕩特性。通過FFT方法得到了壓力振蕩的主頻，并分析了蒸汽質(zhì)量流率和水溫對壓力振蕩主頻的影響規(guī)律，蒸汽射流凝結(jié)換熱特性決定了壓力振蕩主頻隨著蒸汽質(zhì)量流率和水溫的增大而降低。同時，利用先前學(xué)者提出的公式并引入量綱為1的蒸汽質(zhì)量流率和凝結(jié)勢給出了計算主頻的實驗關(guān)聯(lián)式，結(jié)果表明在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)計算值與實驗值具有相同的變化趨勢，且吻合的較好，誤差在±8%以內(nèi)。

蒸汽射流；凝結(jié)；壓力振蕩；主頻

蒸汽在過冷水中浸沒射流凝結(jié)現(xiàn)象在很多工業(yè)場合中扮演著十分重要的角色，由于其具有高效的混合和換熱能力，以及自身的非能動特性，在先進(jìn)輕水堆中也有廣泛的應(yīng)用前景。非能動壓水堆AP1000的卸壓系統(tǒng)中利用了蒸汽射流凝結(jié)的機(jī)理，通過將穩(wěn)壓器中的蒸汽排入安全殼內(nèi)換料水箱，達(dá)到快速卸壓的目的；此外，在AP1000的非能動安注系統(tǒng)中，當(dāng)堆芯補(bǔ)水箱在蒸汽替代模式下運行時，蒸汽通過壓力平衡管線進(jìn)入堆芯補(bǔ)水箱，此時也出現(xiàn)蒸汽射流凝結(jié)換熱過程[1]。

目前國內(nèi)外學(xué)者以蒸汽浸沒射流凝結(jié)在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用為背景，開展了相關(guān)的理論和實驗研究工作。核反應(yīng)堆中關(guān)注的不僅僅是蒸汽浸沒射流的高效混合和換熱能力，更關(guān)注蒸汽射流凝結(jié)帶來的負(fù)面影響，比如由蒸汽凝結(jié)引起的壓力振蕩，這是設(shè)備設(shè)計中必須關(guān)注的內(nèi)容。由于蒸汽射流凝結(jié)現(xiàn)象的復(fù)雜性，目前對蒸汽射流凝結(jié)壓力振蕩特性的研究以實驗為主。美國學(xué)者Simpson等[2]對亞音速蒸汽射流凝結(jié)壓力振蕩特性進(jìn)行了研究，并觀察到了周期性的界面變化過程。韓國學(xué)者Youn等[3]對低蒸汽質(zhì)量流率下、間歇流區(qū)域的壓力振蕩特性進(jìn)行了實驗研究，得到了蒸汽質(zhì)量流率和水溫對壓力振蕩頻率的影響規(guī)律。韓國學(xué)者Cho等[4]對多孔蒸汽射流壓力振蕩特性進(jìn)行了實驗研究，從汽泡動力學(xué)特性分析了壓力振蕩頻率隨著蒸汽質(zhì)量流率和過冷度的變化規(guī)律。Fukuda[5]在對蒸汽凝結(jié)引起的壓力振蕩的頻率研究中，得到壓力振蕩主頻正比于冷水過冷度，反比于噴嘴尺寸，并提出了計算壓力振蕩主頻的簡單關(guān)系式。本文作者采用Fukuda提出的公式對低蒸汽質(zhì)量流率下凝結(jié)振蕩區(qū)的壓力振蕩主頻進(jìn)行了計算，得到了較好的結(jié)果[6]。

鑒于蒸汽射流凝結(jié)壓力振蕩的重要性，同時國內(nèi)外對于蒸汽浸沒射流引起的壓力振蕩特性研究仍然比較匱乏，本工作旨在通過對蒸汽射流凝結(jié)穩(wěn)定射流區(qū)的壓力振蕩特性進(jìn)行實驗研究，得到不同蒸汽質(zhì)量流率和水溫對壓力振蕩主頻的影響規(guī)律，并給出計算壓力振蕩主頻的實驗關(guān)聯(lián)式，為相關(guān)工業(yè)應(yīng)用場合提供實驗和理論支持。

1 實驗系統(tǒng)與方法

針對飽和蒸汽通過6mm的噴嘴在過冷水中產(chǎn)生的凝結(jié)壓力振蕩特性開展研究，實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。飽和蒸汽由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)穩(wěn)壓罐、調(diào)節(jié)閥和噴嘴進(jìn)入過冷水中。為了保證射流凝結(jié)的穩(wěn)定性，同時避免射流對液面造成劇烈的波動，水箱的尺寸設(shè)計為3.0m（長）×1.0m（寬）×1.2m（高），噴嘴的浸沒深度為0.5m，同時在高1.0m處設(shè)有溢流口，保證噴嘴的浸沒深度不變。三維支架上裝有高頻動態(tài)壓力傳感器，響應(yīng)頻率為40kHz，量程為-100～100kPa，滿量程精度為0.25%，為了避免射流的直接沖擊和壓力波衰減太嚴(yán)重，測點位于噴嘴出口正下方90mm處；水箱壁面附近裝有熱電偶，精度為1℃。詳細(xì)的測點位置和汽水參數(shù)見表1。實驗中調(diào)節(jié)蒸汽參數(shù)到設(shè)定值，通過NI采集系統(tǒng)獲得汽水參數(shù)，采樣頻率為5000Hz。

圖1 蒸汽射流凝結(jié)引起的壓力振蕩實驗系統(tǒng)

表1 實驗條件

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 壓力振蕩特性

圖2所示為不同蒸汽質(zhì)量流率和水溫下，在時間0.02s內(nèi)，蒸汽射流凝結(jié)引起的壓力振蕩特性。從圖中可以明顯看出，當(dāng)水溫相同時，壓力振蕩幅值和頻率隨著蒸汽質(zhì)量流率的增大而減小，同時當(dāng)蒸汽質(zhì)量流率相同時，壓力振蕩幅值和頻率隨著水溫度的增大而減小。這是由蒸汽凝結(jié)特性所決定的，當(dāng)蒸汽質(zhì)量流率和水溫較小時，過冷水的冷凝作用強(qiáng)，蒸汽迅速被凝結(jié)，汽液界面小且穩(wěn)定，產(chǎn)生尺寸較小的汽泡，汽泡破裂產(chǎn)生的振蕩幅值小，而頻率大；隨著蒸汽質(zhì)量流率和水溫的升高，過冷水的冷凝作用減弱，汽液界面大且不穩(wěn)定，產(chǎn)生尺寸較大的汽泡，汽泡破裂產(chǎn)生的振蕩幅值大，而頻率小。

2.2 主頻

圖2中描述的是不同汽水條件下的時間域壓力信號，壓力振蕩的頻率信號可采用快速傅里葉變換（FFT）方法分析對時間域信號進(jìn)行處理后得到。圖3所示為蒸汽質(zhì)量流率為370kg/(m2·s)，水溫為60℃時壓力振蕩的頻域特性，從頻率特性中可以得到壓力振蕩的主頻為435Hz。通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，得到了不同蒸汽質(zhì)量流率和水溫下的主頻，如圖4所示。在本實驗條件范圍內(nèi)，主頻約在320～720Hz，且主頻隨著蒸汽質(zhì)量流率和水溫的增大而減小。這是由蒸汽射流凝結(jié)換熱特性決定的，正如2.1節(jié)所述，蒸汽質(zhì)量流率和水溫增大，相對削弱了過冷水的冷凝作用，延長了蒸汽凝結(jié)的時間，從而增大了主頻。

圖2 典型的壓力振蕩特性

圖3 FFT方法分析得到的主頻

圖4 不同蒸汽質(zhì)量流率和水溫下的壓力振蕩主頻

在先前的研究中，有學(xué)者通過假設(shè)凝結(jié)模型并結(jié)合理論分析推導(dǎo)壓力振蕩主頻的計算公式。比如韓國學(xué)者Hong等[7]基于汽液之間的動能平衡和紊態(tài)射流理論，并認(rèn)為蒸汽射流由初始區(qū)和主流區(qū)組成，推導(dǎo)得到了蒸汽射流凝結(jié)引起的壓力振蕩主頻的計算公式如式（1）。

式中，n為蒸汽的絕熱指數(shù)，量綱為1；l為汽羽的穿透長度，m；p∞為環(huán)境水壓力，Pa；ρl為環(huán)境水密度，kg/m3，k為與初始區(qū)和主流區(qū)幾何參數(shù)相關(guān)的經(jīng)驗值，量綱為1。對于上述公式，汽羽的穿透長度l和經(jīng)驗值k都是與汽水參數(shù)相關(guān)的量。Hong等通過實驗研究得到的k為3.26，汽羽穿透長度l是可以表示成l=L·de，L為量綱為1的穿透長度。先前學(xué)者對蒸汽射流的穿透長度（量綱為1）進(jìn)行了大量的實驗和理論研究，但各學(xué)者對汽羽穿透長度的處理方法不盡相同，因此也給出了不同的實驗關(guān)聯(lián)式[8-12]，見表2。表2中，B為凝結(jié)勢，B=cp(ts-tw)/hfg，量綱為1。cp為水的比熱容，kJ/kg·℃；ts為飽和水溫度，℃；hfg為汽化潛熱，kJ/kg。Gm為臨界蒸汽質(zhì)量流率，即蒸汽在噴嘴的出口壓力恰好等于環(huán)境壓力時對應(yīng)的質(zhì)量流率，沿用先前學(xué)者給出的數(shù)值取275 kg/m2·s。

表2 量綱為1的穿透長度實驗關(guān)聯(lián)式[8-12]

根據(jù)表2中穿透長度（量綱為1）的實驗關(guān)聯(lián)式，結(jié)合式（1）計算得到的壓力振蕩主頻與實驗值的比較見圖5，計算誤差較大，最小的誤差約為20%。因此，穿透長度（量綱為1）對壓力振蕩主頻的計算結(jié)果影響很大，實際上，汽羽穿透長度的確定跟實驗條件、實驗設(shè)備和處理方法等因素有關(guān)，特別是當(dāng)蒸汽質(zhì)量流率和水溫比較高時，由于汽液界面不穩(wěn)定、更難分辨。但是各學(xué)者一致的觀點是量綱為1穿透長度主要由凝結(jié)勢和蒸汽質(zhì)量流率（量綱為1）等因素有關(guān)，因此在式（1）的基礎(chǔ)上，直接引入凝結(jié)勢和蒸汽質(zhì)量流率（量綱為1），得到凝結(jié)振蕩主頻的實驗關(guān)聯(lián)式，如式（2）。

根據(jù)式（2），得到水溫20℃和60℃的振蕩主頻計算值如圖6所示，計算值與實驗值具有相同的變化趨勢，并且吻合的較好。在本工作的實驗條件范圍內(nèi)，計算得到的主頻與實驗值的誤差基本在±8%以內(nèi)，見圖7。

3 結(jié) 論

圖6 壓力振蕩主頻計算值

圖7 壓力振蕩頻率計算值和實驗值的比較

針對直徑為6mm的噴嘴，在蒸汽質(zhì)量流率370～724 kg/(m2·s)和水溫20～60℃條件下，對飽和蒸汽在過冷水中射流凝結(jié)引起的壓力振蕩特性進(jìn)行了研究，得到了壓力振蕩的時域特性，并通過FFT方法得到了壓力振蕩的頻域特性。主要結(jié)論如下。

（1）主頻隨著蒸汽質(zhì)量流率和水溫的增大而減小。當(dāng)蒸汽質(zhì)量流率和水溫較小時，過冷水的冷凝作用強(qiáng)，蒸汽迅速被凝結(jié)，汽液界面小且穩(wěn)定，產(chǎn)生尺寸較小的汽泡，汽泡破裂產(chǎn)生的振蕩幅值小，而頻率大；隨著蒸汽質(zhì)量流率和水溫的升高，過冷水的冷凝作用減弱，汽液界面大且不穩(wěn)定，產(chǎn)生尺寸較大的汽泡，汽泡破裂產(chǎn)生的振蕩幅值大，而頻率小。

（2）根據(jù)先前學(xué)者給出的計算壓力振蕩主頻的公式，以及不同的穿透長度（量綱為1，下同）的實驗關(guān)聯(lián)式，主頻的計算值誤差較大，主要是由于穿透長度引起的。基于穿透長度的影響因素，直接引入凝結(jié)勢和蒸汽質(zhì)量流率（量綱為1），得到計算主頻的實驗關(guān)聯(lián)式，在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)計算值與實驗值吻合的較好，誤差基本在±8%以內(nèi)。

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Research on main frequency of pressure oscillation by steam jet in water

WU Xinzhuang1，QIU Jian1，GUO Dandan1，QIU Binbin2，YAN Junjie2
（1Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，State Nuclear Power Technology Corporation，Shanghai 200233，China；2State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

The pressure oscillation characteristics due to steam jet condensation in water were experimentally investigated in stable jet region. The main frequency of pressure oscillation was obtained by the FFT method，and the effects of steam mass flux and water temperature on main frequencies were analyzed. Main frequencies decreased with increasing steam mass flux and water temperature，as the result of steam condensation and heat transfer. Moreover，a previous correlation was used to predict the main frequency by considering the dimensionless steam mass flux and condensation driving potential，and for the present experimental parameters good agreement was obtained between predictions and experiments with discrepancies within ±8%.

steam jet；condensation；pressure oscillation；main frequency

TK 2

A

1000-6613（2014）10-2588-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.012

2014-02-21；修改稿日期：2014-03-04。

國家核電技術(shù)公司員工自主創(chuàng)新項目專項基金項目（SNPKJ-CX-2011-0008）。

及聯(lián)系人：武心壯（1982—），男，博士，高級工程師。主要從事核電廠主系統(tǒng)的設(shè)計及熱工水力的研究。E-mail wuxinzhuang@ snerdi. com.cn。