赵忠南

【摘 要】在新概念核反应堆堆型的研究、碎片床的冷却、石油和化学工业中的反应床中都涉及球床气液两相流。气-液两相流流型研究的首要问题是流型的观测，只有解决了这个问题，后续的流型分类、流型识别、流型与阻力特性的关系等一系列问题才能得以展开。因此，本文研究内容由可视化研究开始，通过可视化研究得到的结果来指导球床空气-水两相流流型的相关研究。本章详细叙述了流型可视化研究的目的、方法和内容，给出了CaCl2溶液的基本物性参数以及可视化研究的结果，为进一步研究球床空气-水两相流流型等相关方面的研究扫清障碍。

【关键词】两相流；球床反应堆；流型；可视化

Visually Experimental Investigation on Flow Patterns of GAS-liquid Two-phase Through Packed Channel With Spheres

ZHAO Zhong-nan

（Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Co.，Ltd.， Rongcheng Shandong 264300， China）

【Abstract】In the research of new-concept nuclear reactor， debris bed cooling， and chemical industry， gas-liquid two-phase flow in porous media are involved. Type gas-liquid two phase flow study is the first problem of flow pattern observation， only solved the problem， the subsequent flow pattern classification， the flow pattern identification， the relationship between the resistance to flow pattern and a series of problems， such as can be. Therefore， this article research content by the visualization study began， through visualization research results to guide the pebble bed type air - water two phase flow of related research. Is described in detail in this chapter flow pattern visualization study purpose， method and content， the basic physical parameters of CaCl2 solution is given and visual results， for the further study on the air bed - water two phase flow and other related research.

【Key words】Two-phase flow； Packed reactor with spheres； Flow pattern； Visualization study

0 前言

在新概念核反应堆堆型的研究中，寻求微球形燃料元件与轻水反应堆（LWR）的结合[1]，实现反应堆良好的经济性和固有安全性等技术优势，已经成为近十多年来新概念堆型研发的重要方向之一。球形燃料元件具有安全性高和体积释热率大的优点，而水冷堆的技术已经很成熟，实现这两种技术优势的结合已经成为近年来球形燃料元件应用探索的重要方向之一。Grishanin[2]指出水冷微球床反应堆与传统燃料元件反应堆相比有明显优势。在微球床反应堆中，燃料球致密排列，充满整个元件管，冷却剂流经微球形燃料元件堆积形成的球床孔隙流道。对于沸水堆或直接过热的反应堆，堆芯内冷却剂经历由单相到两相、甚至过热蒸汽的全过程，这个过程中存在着微球床多孔通道气-液两相流动。所以研究球床气-液两相流流型是十分必要的。

可视化研究的根本目的就是采用一种合适的方法，突破球床部复杂结构的限制，使流型观测成为可能，为流型的识别提供良好的依据，对各种流型的特点有更加深刻的认识。

1 实验系统和方法

1.1 实验系统介绍

实验装置示意图如图1所示。整个实验装置由实验段、供水系统、供气系统、测量系统和数据采集系统五部分组成。

实验工质为经由气-液混合器混合的去离子水与压缩空气形成的两相流体。工质流程为：离心泵将水从水箱中抽取后经过滤器过滤，通过针阀和浮子流量计调节流量；空气由压缩机压缩后储存在储气罐中，经过油水分离器后由调压阀调节压力，调节阀调节流量，通过质量流量计后与水在气-液混合器处均匀混合进入实验段，在气-液分离器处气相排放到环境，水流入水池形成循环。

实验段由上下法兰盘、取压环、有机玻璃管和玻璃填充球组成。实验段示意图如图2所示，长度为L为1000mm，内径为dc为50mm，为消除进出口效应，进口200mm处设入口测压点，出口100mm处设出口测压点。取压间距ΔL为700mm。装配好的实验段竖直固定在实验台架上。

为了能够观测到两相流的流动现象，实验段内分别填充直径为5mm的透明玻璃球形成微球固定球床床。

1.2 实验方法

本文采用向有机玻璃管内填充5mm玻璃球的方法来构造球床，进而对球床气-液两相流流型进行可视化观测。由于实验工质为水和空气的两相混合物，实验中所用的玻璃填充球的折射率为1.54，水的折射率为1.33，二者之间折射率的差别，导致在玻璃填充球与流体的交界面上，光的折射现象非常明显，为了克服由于折射率不同而产生的的光学效应对观测流型变化所造成的阻碍，采用折射率补偿的方法来进行可视化研究。

所谓“折射率补偿”就是在对研究不产生严重偏差的情况下，通过有选择性的改变液相工质的种类及成分，使液相工质与玻璃填充球的折射率差值达到最小，进而有效抑制光在实验管段内传播过程中的折射效应的一种方法，从而达到所要求的观测效果。

本文在可视化研究的过程中，液相工质选择过程中应考虑以下基本原则：

（1）透明、无毒、不易挥发。

（2）燃点、闪点必须足够高，其蒸汽与空气混合遇明火不爆炸。

（3）性质稳定，与玻璃填充球以及有机玻璃实验管不发生物理化学反应。

（4）对实验装置不发生影响实验结果的物理化学反应，其中主要包括：不腐蚀压差变送器及相关实验仪表，对实验用泵不造成严重腐蚀。

（5）密度、运动粘度、表面张力要控制在合理可行的范围之内，流体应为牛顿流体。

本文筛选的无机盐溶液有ZnSO4溶液、ZnCl2溶液、CaCl2溶液、NaCl溶液、ZnSO4+ZnCl2溶液、CaCl2+NaCl溶液、CaCl2+ZnCl2溶液。对以上七种溶液进行了折射率补偿的可视化实验，并结合液相工质选择过程中必须遵守的基本原则，最终选用CaCl2溶液进行可视化研究。

2 CaCl2溶液折射率参数及浓度的确定

折射率是表征物质光学特性的重要参数。本文采用2WA-J阿贝折射仪，测量了质量分数分别为10%、20%、30%、34%、40%的CaCl2溶液的平均色散。CaCl2溶液的折射率受质量分数的影响很大，质量分数也大，折射率越大。

从图3中可以看出如果CaCl2溶液质量分数过小，不足以满足折射率补偿的要求；如果质量分数过大，伴随折射率提高，补偿效果明显的同时，粘度、密度以及表面张力等参数会迅速增加，导致观察到的流型与空气-水产生较大的差别。

经过实验比对发现质量分数为34%的CaCl2溶液能达到很好观测效果的同时，各项物性参数与水相比也很接近，不会造成很大的实验偏差。因此本文最终选取质量分数为34%的CaCl2溶液来进行流型可视化研究。其各项物性参数列于表1中。

3 实验结果及分析

本文采用目测法观测流型，实验过程中发现，气、液两相在实验段同一截面上的分布情况相同。实验分别观察到泡状流、串状流、液柱脉冲流、乳沫脉冲流、环状脉冲流五种流型，各流型结构如图4所示。

3.1 泡状流流型

气相以小气泡的形式分布在液相中。在球床孔隙内穿行，气泡分散，气泡直径与孔隙相当。气相流量一定的情况下，随着液相流量的增加，气泡有变小的趋势；在液相流量一定的情况下，随着气相流量的增加，气泡变大，由于孔隙的限制，气泡开始变形，其形状与孔隙形状有关。

3.2 串状流流型

在泡状流的基础上，随着气相流量的进一步增加，实验管段内含液率减小，多个变形的气泡相互聚合，形成形状不规则的细长气串。气串短轴长度与孔隙相当，长轴的长度为多个孔隙加和。气串以极好的韧性沿着填充球所构成的孔隙随液相向上流动。流动过程中，随着孔隙的变化，气串会发生断裂和重新聚合的现象。串状流是一种过渡流型，存在的范围很小。

3.3 液柱脉冲流流型

这是一种在不同液相流量下普遍存在的一种流型，发生在串状流之后。在串状流的基础上，随着气相流量的进一步增加，流动开始出现脉动，在高液相流量下这种现象更为明显。随着脉动的进行，出现类似于常规管道中弹状流的情形，出现明显的液柱段和富气段。其中液柱段，基本观测不到气相的存在，其长度随气相流量的增加而变短；富气段为气、液两相混合，气相有多种存在形式，其中包括了气泡、气串等。这种流型的脉冲频率稳定，几乎不随气相流量的增加而变化。

3.4 乳沫脉冲流流型

这种流型在气相流量和液相流量较高时出现，这种流型存在的范围很大。在液柱脉冲流的基础上进一步增加气相流量，流型便过渡到乳沫脉冲流。在乳沫脉冲流中流动状态仍然为脉冲流动，所不同的是不再有明显的液柱存在，取而代之的是富液区与富气区两部分交替经过测压点。在富气区，气相和液相的存在形式与液柱脉冲流不同，气相以单一的、大量的小气泡形式存在，气泡直径要比孔隙当量直径小，气泡形状规则。富液区中气泡数量要比富气区少得多，但仍以小气泡的形式存在。这种流型的脉冲频率也比较平稳。

3.5 环状脉冲流流型

在液相流量很小，气相流量很大的情况下，可以观测到这种流型的发生。由于氯化钙溶液的表面张力和粘度都比较大，气相更容易以气泡的形式存在，因此，实验过程中这种流型观察到的很少。

3.6 流型图

以气、液两相雷诺数为横纵坐标作流型图如图5所示。

4 结论

4.1 通过对溶液性质的分析，最终选择质量分数为34%的CaCl2溶液进行流型可视化研究。

4.2 实验过程中观察到泡状流、串状流、液柱脉冲流、乳沫脉冲流、环状脉冲流五种流型，并分别以气、液两相雷诺数为横纵坐标绘制了流型图。

4.3 同一流型下，气、液两相在实验段同一截面上的径向分布相同，即近壁面处观察到的流型与实验段内部流型相同。

【参考文献】

[1]闫晓，肖泽军，等.微球形核燃料元件轻水堆概念的研究进展[J].空泡物理和自然循环实验室年报，2006：1-12.

[2]Grishanin. E， Garner F.A， Shea T.E. Long life nuclear reactor without open-vessel re-fueling， 2005.3：28-35P[Z].

[3]H.L.Zhang. G. H.Chen. S. J. Han， Viscosity and density of H20+NaCl+CaCl2 and H20+KCl+CaCl2 at 298.15K.J.Chem.engrg.1997：526-530P[Z].

[责任编辑：汤静]