5×5棒束通道局部阻塞流場實驗研究

于曉勇，祁沛垚,2，喬守旭，王嘯宇，鄧 堅，譚思超,*

(1.黑龍江省核動力裝置性能與設備重點實驗室，哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.中國核動力研究設計院，四川 成都 610041)

棒束燃料元件結構緊湊，流道狹窄，承受著復雜的機械載荷。當燃料元件長時間受到輻照發生腫脹、彎曲或堆內材料碎片、腐蝕產物隨冷卻劑流入堆芯等條件下可能會造成流道阻塞事故。當發生流道阻塞事故時，由于流道內阻力增大，冷卻劑流量減小，造成冷卻劑輸熱能力減弱，引起堆芯傳熱惡化[1]。因此，有必要針對局部阻塞條件下棒束通道內的流場及阻力特性進行研究。

目前，針對流道阻塞事故的研究主要從實驗研究和數值模擬兩方面開展。Kikuchi等[1]研究了非沸騰條件下阻塞物下游的溫度分布；Miyazaki等[2]以鈉為工質測量了流道阻塞后溫度的波動；Sudo等[3]研究了流動阻塞對壓水堆失水事故堆芯換熱的影響。以上實驗均從換熱特性方面對阻塞事故進行了研究，并未從流動特性機理方面進行分析，其原因可能是阻塞后流場特性復雜，開展實驗較為困難，所以實驗數據較少，不能給CFD做驗證。其次實驗研究中阻塞方式較單一，除Ohtsubo等[4]對單、雙、三通道阻塞進行了實驗外，其余實驗均對單一阻塞率進行了研究，實際阻塞事故的發生具有隨機性。因此棒束通道局部阻塞流場實驗有必要針對不同阻塞類型開展相關研究。部分數值模擬[5-6]建立模型和結果的可靠性以及準確性需要驗證，局部阻塞條件下棒束通道流場特性的實驗研究可為CFD提供真實可靠的實驗數據。綜上，本文采用粒子圖像測速(PIV)技術測量邊、角、中心子通道在阻塞條件下的流場及壓力數據，分析在不同類型局部阻塞條件下棒束通道內的流場特性以及壓力特性。

1 實驗裝置

1.1 實驗回路

棒束通道局部阻塞實驗系統由流動回路、可視化局部阻塞實驗本體、數據采集系統、光路成像系統等組成，如圖1所示。使用去離子水作為實驗工質，在常壓常溫條件下進行實驗，離心泵驅動去離子水從水箱流經電磁流量計由下腔室進入棒束通道實驗本體，流經實驗段后從上腔室流出至水箱完成循環。

圖1 實驗回路系統

1.2 阻塞物

阻塞常發生在燃料元件輻照腫脹或發生彎曲、堆內材料碎片或腐蝕產物隨冷卻劑流入堆芯等事故工況下，因此棒束通道內不同位置均可能發生阻塞。Salama等[7]、Davari等[8]在進行CFD模擬計算時，均假設阻塞是由燃料板向內彎曲而導致的。對于本文研究的棒束燃料元件，局部阻塞發生在流道內的位置以及阻塞面積具有隨機性。為盡可能模擬燃料元件真實狀態，本實驗根據子通道類型設計3種子通道阻塞模型，每種阻塞模型又分別設置不同阻塞率進行對比。

阻塞物分為邊、角、中心子通道3種類型，共8個子通道阻塞模型，如圖2所示。阻塞物采用有機玻璃材質，厚度為12 mm。為消除入口段影響，實驗測量應在充分發展區域，如圖1所示，阻塞物設置在距離進水口510 mm處，棒束通道水力直徑(Dh)為9.752 mm。

a——邊子通道；b——角子通道；c——中心子通道

2 實驗測量及誤差分析

2.1 PIV實驗測量

PIV測量系統由可移動光學平臺、連續激光器、高速相機以及控制系統等組成。棒束通道內流場行為復雜多變，實驗選擇聚酰胺顆粒作為示蹤粒子，粒子直徑為10 μm、密度為1.04 g/mL，斯托克斯數為0.000 6?1[9]，示蹤性能良好。為提高測量精度并降低相機鏡頭帶來圖像的畸變，實驗采用遠心鏡頭進行測量，高速相機的拍攝速度為4 000幀/s。獲得拍攝圖像后，需進行圖像預處理，包括去除背景噪聲、邊界識別等。實驗數據后處理采用商用二維PIV處理軟件Davis，初始互相關計算窗口為64×64像素，最終計算窗口為16×16像素，窗口內的粒子數量為5～10個，窗口重疊率為50%，實際分辨率為0.15 mm×0.15 mm。

2.2 實驗工況

通過調節旁通閥開度及變頻器頻率建立不同實驗工況，通過流量計及溫度計監視流動工況。實驗參數列于表1，選擇1、3、5、7 m3/h 4個工況進行PIV測量實驗。每個工況分別測量平面A、B、C的流場信息。PIV測量平面如圖1所示，平面A、B、C為棒束間隙，坐標位置分別為x=31.225、18.9、6.3 mm。為消除入口效應的影響，壓力數據的采集位于充分發展區域。在阻塞物下游會產生較大范圍的回流及尾流區域，因此將實驗壓降測量截面設置在阻塞物上游100 mm及下游150 mm處，如圖1所示，引壓孔距入口410 mm，間距為250 mm。首先測量了雷諾數(Re)為450～8 500、不帶阻塞物的實驗段壓降，即摩擦阻力壓降，然后在局部阻塞條件下測量了實驗段的總壓降。

表1 PIV實驗工況設置

2.3 誤差分析

PIV測量誤差的來源包含坐標標定誤差、實際圖像的誤差、成像像素的誤差等。李興等[10]對本實驗系統PIV測量誤差進行了詳細研究，得出主流速為1 m/s時速度測量總不確定度為6.9%。棒束通道內PIV速度測量的不確定度按照日本可視化協會推薦的誤差分析方法[11]進行，得出本實驗最大誤差約為5.7%。壓降測量的誤差取決于測量過程中儀器在測量范圍內的精度，本實驗測量參數均在儀表量程之內。流量測量使用KROHNE OPTIFLUX4000，不確定度為±0.37%；溫度測量使用JWB/Pt100，不確定度為±0.5%，實驗段壓降測量使用Honeywell STD800，不確定度為±0.035%。

3 實驗結果及分析

PIV實驗獲得了棒束通道在邊、角及中心子通道阻塞條件下，工況1～4測量平面A、B、C的流場數據。阻塞后的瞬時流場復雜多變，為研究局部阻塞對流道內流場結構的影響，將所得到的瞬態實驗數據進行時域平均，結合瞬時流場數據及時均流場數據對阻塞后的流場結構進行分析。

3.1 中心通道阻塞

中心子通道阻塞條件下工況4平面C的時均流線圖示于圖3，主流在阻塞物上游發生分離，繞過阻塞物流向下游，在阻塞物上游并沒有漩渦生成。主流繞過阻塞物兩角后在兩側形成漩渦并逐漸擴大，達到一定程度后脫落并在下游形成回流區，流體在回流區后重新匯流。由圖3可見，回流區分布有兩個明顯且旋轉方向相反的漩渦，漩渦尺寸、影響范圍隨阻塞率的增加而明顯增大。阻塞率為3.58%、14.33%下形成的回流區長度分別為2Dh及5Dh，阻塞率為57.32%時形成的回流區長度則在12Dh以上。

圖3 中心子通道阻塞條件下工況4平面C的時均流線圖

在中心子通道阻塞條件下，阻塞率對工況4平面C阻塞物下游1Dh處橫向速度u及軸向速度v分布的影響示于圖4。阻塞物使流道內產生漩渦，在一定程度上促進了流體間的橫向攪渾，但這是針對阻塞物下游兩側主流區的，而阻塞物下游中心部分流體則流速變緩，并發生回流。圖4b顯示，隨著阻塞率的增大，其對軸向速度的影響范圍不斷增大。阻塞率為57.32%時產生的回流軸向速度最大可達到主流速度的46.14%，回流速度較大，大幅降低了冷卻劑與燃料棒之間熱量的傳遞效率。

圖4 不同阻塞率下工況4阻塞物下游1Dh處的速度分布

阻塞物下游形成的漩渦在整個流動過程中是不斷變化的，圖5示出了阻塞率為14.33%時工況4平面C兩列漩渦的形成、發展以及耗散過程。可看到，流道內的瞬時流場結構與時均流場結構存在較大差別。瞬時流場結構不同于時均流場結構，存在非定常性。在整個過程中，漩渦不穩定，短時間具有隨機性，漩渦結構呈現無序、混沌的特征，但從整個流動過程來看其流場特征具有重復性。由圖5可見，t=0 s時，阻塞物下游((4～6)Dh)部分尾流區偏向左側；t=0.25 s時，尾流區逐漸向右側移動；t=0.5 s時，尾流區到達最右側；t=0.75 s時，尾流區又逐漸向左側移動，擺動周期約為1 s。阻塞物下游周期性地交替出現兩列旋轉方向相反的漩渦，這兩列漩渦相互擠壓、變形不斷向下游擴散，從而導致了下游回流區隨時間有規律的左右擺動。

圖5 阻塞率為14.33%條件下工況4平面C的瞬時流線圖

為研究流場結構隨Re的變化規律，實驗針對不同Re對流場進行了多次測量，14.33%阻塞率下工況1～4平面C的時均流線圖示于圖6。隨著Re的增加，阻塞物下游左側漩渦中心向下游移動并向下游擴散范圍變大。一方面阻塞物所形成的漩渦沿垂直于流線方向擴散；另一方面漩渦也被流動帶向下游，并不斷衰減。Re越大，漩渦向徑向的傳播速度越小于向下游的傳播速度[12]。當Re為1 085時，漩渦積聚在阻塞物附近。隨著Re的增加，由于漩渦向徑向的傳播速度小于向下游的傳播速度，因此可觀察到左側漩渦向下游的擴散范圍變大。Re從1 085增加到7 627，交匯點約向下游移動了2Dh。雖然影響范圍增大，但左側漩渦向下游擴散，不再積聚在阻塞物正下游。考慮到兩側漩渦相互擠壓，受左側漩渦影響，隨著Re的增大右側漩渦向下游移動不明顯。

圖6 阻塞率為14.33%條件下平面C的時均流線圖

14.33%阻塞率下工況1～4平面C阻塞物下游1Dh的流速分布示于圖7a，隨著Re的增加，阻塞物下游附近流速增大，說明漩渦不再積聚在阻塞物正下游。因此當發生局部阻塞事故時，應盡可能使冷卻劑的流量保持在一個較大的數值，以增加阻塞物下游的湍流程度，及時帶走燃料元件的熱量。14.33%阻塞率下工況1～4平面C中x=18.9 mm處(即第1、2列棒間隙)的橫向速度u分布示于圖7b。阻塞物使流道內產生橫向速度，在阻塞物下游2Dh附近橫向速度達到最大，之后緩慢衰減，在阻塞物下游約7Dh處橫向速度衰減至0 m/s附近。

a——阻塞物下游1Dh處流速分布；b——x=18.9 mm處橫向速度分布

3.2 邊、角子通道阻塞

邊子通道阻塞所形成的流場結構與中心子通道阻塞具有一定的相似性，圖8為邊子通道阻塞下工況4平面C的時均流線圖。與中心子通道阻塞形成的流體結構類似，漩渦首先在阻塞物右側壁面形成，增大到一定程度后脫落并在下游形成回流區。不同的是，邊子通道阻塞所形成的回流區與壁面相接觸，棒束通道壁面附近的漩渦形狀不規則，分布不均勻。這是由于湍流以及壁面的影響，導致壁面附近的漩渦產生后很快就被撕裂、耗散。邊子通道類型阻塞所形成的回流區流場結構較中心子通道阻塞更復雜。與邊子通道阻塞類型類似，角子通道阻塞所形成的回流區同樣與壁面相接觸，由于壁面的作用，壁面附近的漩渦形狀不規則。

圖8 邊子通道阻塞條件下工況4平面C時均流線圖

3.3 壓力場數據處理

3.3.1阻力系數理論計算公式 局部阻塞條件下棒束通道內的壓降由摩擦壓降Δpf、重力壓降Δpg以及阻塞物引起的局部壓降Δpsg組成，如式(1)所示。其中重力壓降可根據密度與高度差計算獲得，摩擦壓降可通過測量不帶阻塞物棒束通道內壓降獲得，局部壓降可通過總壓降減去摩擦壓降及重力壓降獲得。

Δp=Δpf+Δpg+Δpsg

(1)

(2)

(3)

式中：λ為摩擦阻力系數；D為棒束通道當量直徑；ρ為20 ℃去離子水密度；u為橫截面瞬時速度；L為測壓頭間距；ζ為局部阻力系數。

3.3.2阻力特性分析 實驗首先針對不帶阻塞物棒束通道內的壓降進行測量，根據式(2)計算得到棒束通道的摩擦阻力系數。Cheng等[13]針對正方形布置的光滑棒束通道提出了摩擦阻力系數計算方法，并給出了棒束通道內流態劃分及轉捩點Re的計算公式。將實驗值與Cheng公式預測的摩擦阻力系數進行對比來驗證實驗的可靠性，如圖9所示。結果顯示，Re<2 000時，Cheng公式能很好地預測棒束通道內摩擦阻力系數。但隨著雷諾數的增加，預測結果逐漸小于實驗摩擦阻力系數。在雷諾數為750附近，摩擦阻力系數發生明顯的改變，可認為本實驗層流與過渡流轉捩雷諾數約為750[14]。棒束通道內由于存在徑向壓差導致的橫向流動，流道內湍流程度增強，促使轉捩提前到來，因此本實驗層流與過渡流轉捩雷諾數較Cheng等[13]提出的劃分準則所得轉捩雷諾數(1 076)小。

圖9 摩擦阻力系數實驗值與經驗公式對比

冷卻劑在棒束通道內流動局部阻力主要由定位格架產生[15]。課題組前期針對定位格架的阻力特性進行了實驗測量，得到了相關實驗數據[16]。為研究阻塞物所引入的局部阻力系數的大小及規律，將其與定位格架所引入的局部阻力系數進行比較。根據式(3)計算得到不同阻塞類型下的局部阻力系數，與祁沛垚等[16]預測的定位格架局部阻力系數進行對比，如圖10所示。結果表明，定位格架所造成的局部阻力系數與23.55%阻塞率的邊通道阻塞及25.00%阻塞率的角通道阻塞的局部阻力系數曲線誤差較小。Re<750時，阻塞物所形成的局部阻力系數隨Re的增大相比于定位格架減小快。這是由于Re較小時，阻塞物下游形成的漩渦積聚在阻塞物正下游附近，隨著Re的增大，漩渦逐漸向下游擴散，此階段局部阻力系數減小較快。但隨著Re的繼續增大，阻塞物所形成的局部阻力系數曲線相對于定位格架變化較平緩。由于定位格架上的攪混翼片等結構可促進流體攪混[17]，因此在Re>750之后，定位格架的局部阻力系數隨著Re的增大變化較快。由中心子通道阻塞局部阻力隨雷諾數的變化可見，壓降隨阻塞率的增加而增大，導致局部阻力系數隨阻塞率的增加而增大。但呈4倍比例增加的阻塞面積所造成的局部阻力系數并不是簡單的線性增加關系。

圖10 不同阻塞類型局部阻力系數對比

4 結論

本文針對局部阻塞條件下5×5棒束通道內流場特性以及壓力特性進行了實驗研究，得到如下主要結論。

1) 阻塞物下游流體產生回流并分布有漩渦，漩渦的尺寸、影響范圍隨著阻塞率的增加而增加。

2) 阻塞條件下的瞬時流場結構不同于時均流場結構呈現非定常性。瞬時流線圖顯示，回流區內的漩渦不穩定，短時間具有隨機性，但從整個流動過程來看其流場特征具有重復性。

3) 中心子通道阻塞在回流區形成了兩列旋轉方向相反的漩渦，隨著Re的增加，阻塞物下游左側漩渦中心向下游移動且擴散范圍變大。

4) 由于湍流和壁面作用，邊、角子通道阻塞在棒束通道壁面附近形成的漩渦形狀不規則、分布不均勻。

5) 局部阻力系數隨阻塞率的增加呈非線性增加趨勢。阻塞物的局部阻力系數與定位格架相比，Re<750時隨Re增加減小較快；Re>750時減小較為平緩。