第一章--气(汽)液两相流动的不稳定性

气（汽）液两相流动的不稳定性•“流动不稳定性”是指恒振幅或变振幅的流动振荡，广义地说，还包含零频率的流量漂移。沸腾流道因含气率变化，常常因浮力或者流体容积发生变化，导致两相流道振荡。这类振荡与机械系统中的振动相似，质量流速、压降和空泡（气泡）相似于机械系统中的质量、激发力和弹簧。•按此比拟可知，流量与压降之间的关系，对流动稳定性起着重要作用。任何沸腾、冷凝或其他两相流动过程都不希望出现流体动力不稳定性现象。•流动振荡会引起沸腾危机、控制困难、或引起机械性破坏。对核动力工程，还会引起核反应性变化耦合反馈效应。•1．概述对于锅炉、蒸汽发生器、热交换器、水冷反应堆，以及任何其他汽水两相流动设备来说，流动不稳定性不仅会降低它们的运行性能，还会危害安全，因为：（1）部件可能遭受有害的强迫机械振动，机械振动和局部热应力周期性变化会导致疲劳破坏；（2）会引起控制问题，对于液体冷却的反应堆，当冷却剂兼作慢化剂时尤为重要；（3）会影响局部传热特性，或者可能使沸腾危机提前出现，即降低临界热流密度。•严格地说，对于稳定流动，其参数效应仅仅是空间变量的函数，与时间变量无关。实际上在两相流动系统中，参数往往因湍动、成核气化或弹状流动而发生小的起伏或脉动。这种脉动，在一定条件下，可能是触发某些不稳定性的驱动因素。因此必须恰当地定义稳定流动条件。当流动受到瞬时扰动，进入新的运行工况后，可渐渐地回复到原来的运行状态，称为稳定流动。反之，若无法回到原来的稳定状态，而是稳定于某一新的运行状态，则称为静态流动不稳定性。当两相流动系统受到一瞬时扰动，如果在流动惯性和其他反馈效应作用下，产生了流动振荡，称为动态流动不稳定性。•目前，对于一些常见的经典两相流动不稳定性现象的机理研究比较充分，发展了一些预测不稳定性阈值和频率的分析方法。主要包括密度波不稳定性，Ledinegg不稳定性以及压降振荡等。近年来不少学者致力于研究一些新的不稳定性现象，它们几乎都与轻水反应堆的应急堆芯冷却系统特性有关。例如，沸水堆弛压水池内的蒸汽凝结不稳定性，压水堆应急冷却剂注射过程中的蒸汽-水混合物振荡、压水堆失水事故中再淹没阶段出现的振荡，以及压水堆内下降段和沸水堆燃料棒束内蒸汽和水相向流动中发生复杂的相互作用现象等等。•众所周知，自然界中许多暂态过程实际上为波传播现象所控制，波动理论是了解和分析不稳定现象的重要工具。在两相流动系统中，相间交界面热力-流体动力相互作用造成了相界面波传播、密度波传播和压力波传播，这些波传播机理应当是导致各种不稳定性的最本质的机理。•2．两相流动不稳定性分类从描述流体流动系统物理状态的数学模型来说，任何一个系统内的流动动态行为可以运用有关的物理规律（即基本守恒律和描绘流体特性的结构律）和在边界上对系统施加各种作用的具有动态或稳态特征的边界条件来确定。一般有四种边界条件：（1）压力边界条件，常常施加于系统的一定区域；（2）流体动力边界条件，它提供流体流动的驱动力；（3）系统入口处的热力边界条件，常指入口焓值；（4）壁面处的热力边界条件，即壁面热流密度分布。上述任一种边界条件受到扰动，便会影响到运行参数及系统响应，可能引起不同的不稳定性。•（1）各种不稳定性机理1）静态不稳定性最常见的静态不稳定性有流量漂移、沸腾危机、流型过渡、碰撞声、喷泉声或爆炸声、冷凝爆炸等六类。a.流量漂移流量漂移又称Ledinegg不稳定性，其特征是受到扰动后的流动离开原来的流体动力平衡工况，在新的流量值下重新稳定运行。这种不稳定特征要求沸腾流道的压降-流量特征曲线（又称流道内部特征曲线）具有随流量增加，压降反而减少的区域，只有当流量变化时，流道摩擦损失的变化大于系统外加压头变化（通常是泵的压头或自然循环压头）时，才会发生这种不稳定性，即有稳定性准则为：上式，下标表示驱动压头特性，表示阻力特性。dFGpGp||b.沸腾危机与不稳定性某些研究者实验观察到沸腾流道内流体发生沸腾危机的同时出现流动振荡，其机理目前还不清楚。c.流型变迁不稳定性通常，当流动处于泡状流和环状流之间的过渡区域内时，会发生流型变迁不稳定性。处在泡-弹状流工况下的流动，若汽泡量因流量随机减少而增多，会使流型转变为环状流动。环状流的流动阻力较小，过剩的驱动压头会使流量增大。随着流量增多，所产生的蒸汽量又不足以维持环状流动，便又回复到泡-弹状流。阻力又增大，又使流量减少，循环重新开始。流量增大（加速效应）和流量减少（减速效应）可能会使振荡发生延迟。目前还不清楚这种周期性的流型变迁是密度波振荡或压降振荡的起因还是结果。也发现了其他流型间过渡不稳定性现象。由于目前还无合适的确定流型过渡条件方法，因而也没有分析这类不稳定性的适用模型和方法。d.碰撞、喷泉和爆炸不稳定性碰撞、喷泉和爆炸这类静态不稳定性常常耦合在一起，呈现为一种重复的却不一定呈周期性的行为。从它经历的过程来看，都含有一种欠热液体突然沸腾的过程，因工作条件不同而表现为不同的不规则循环过程。碰撞现象常常发生在低压下的碱金属沸腾系统。加热面温度在沸腾和自然之间不规则地循环变化，沸腾和自然对流在加热面上交替进行，导致汽泡间歇地生长和破裂，形成撞击效应。当压力升高或热流密度增加后，这类现象便消失。人们用加热面上某些空穴含有气体导致这类不稳定性进行解释。喷泉现象是指加热流道内重复地喷出气流或液流的过程，曾观察到多种工况。受底部加热且底部封闭的垂直液柱，若热流密度足够大，底部开始沸腾。在低压系统内，伴随静压头降低，到一定值时，会由于沸腾液柱内蒸发量急剧增加，往往自流道内喷出蒸汽流。尔后，液体又重新充满流道，回复到初始欠热沸腾工况，循环重新开始。爆炸不稳定是指加热流道周期性地喷射冷却剂的循环现象，或者表现为简单的进出口流量周期性变化，或者表现为流道两端同时喷射大量冷却剂。常包含孕育、核化、喷射和流体回流四个过程。在两端喷射情况下，回流阶段，液块进入流道相互碰撞，而使气泡破裂。e.冷凝爆炸将蒸汽直接通入水池，与欠热水发生直接接触冷凝，气泡破裂伴随的爆炸过程称为冷凝爆炸。其机理尚未研究清楚。2）动态不稳定性两相流动混合物相交界面之间的热力-流体动力相互作用形成相界面波传播，可粗略地将这种界面波分为两类：即压力波（或声波）和密度波（或空泡波）。任何一个两相流动实用系统中，这两类波往往同时存在与相互作用。一般说来，它们的传播速度差1-2个数量级，可用传播速度来区别这两种不同的波造成的动态不稳定性现象。a.声波不稳定性在研究流动不稳定性时，习惯上将属于声频范围的压力波传播引起的流动不稳定性称为声波振荡或声波不稳定性。流体系统受到压力扰动导致流量振荡，压力扰动以压力波的形式在系统中传播，其特征为振荡频率高，其流量振荡周期与压力波通过流道所需的时间为同一量级。b.密度波不稳定性沸腾流道受到扰动后，若蒸发率发生周期性变化，即空泡份额发生周期性变化，导致两相混合物的密度发生周期性变化。随着流体流动，密度周期性变化的两相混合物形成密度波传播，空泡的传播就是密度波的传播。沸腾流道内空泡份额变化，影响到提升、加速和摩擦压降以及传热性能。不变的外加驱动压头影响流道进口流量，形成反馈作用。流量、空泡（或流体密度）和压降三者配合不当，便会引起流量、密度和压降振荡，这种振荡称为密度波（空泡波）不稳定性，也有称之为流量-空泡反馈不稳定性。c.热力振荡热力振荡是指流动膜态沸腾工况下，当流体受到扰动时，壁面蒸汽膜的传热性能发生变化，使壁面温度发生周期性变化。低温制冷系统受到快速加热时的膜态沸腾可能发生这种热力振荡，加热壁有可能交替处于过渡沸腾和膜态沸腾工况，壁面温度发生大幅度振荡。受恒加热热流的沸腾流道工作在膜态沸腾工况下，传热性能差，壁温降低。热力振荡循环必然伴有密度波振荡，但密度波振荡不一定会引起这种产生大幅度壁面温度变化的热力振荡。d.沸水堆不稳定性沸水堆固有空泡反应性-功率反馈效应，因此，它的热力-流体动力不稳定性复杂化，当流动振荡的时间常数与反应性变化-燃料元件温度变化的时间常数幅值相当时，反馈效应更为显著。e.并行流道不稳定性对于许多并联的加热平行通道两端分别与共同的联箱连接的系统，在总流量不变和联箱两端压降不变前提下，部分通道之间可能因流体密度彼此不同而引起周期性的流量波动，这种现象称为并行通道的流动不稳定性。当一部分通道的流量增大时，与之并联的另一部分通道的流量则减少，两部分之间的流量脉动恰成相位差。同时流量小的通道，其出口蒸汽量大，流量大的通道，出口蒸汽量小，进口流量最小时，出口蒸汽量最大。因此，脉动通道的进口流量的脉动与其出口蒸汽量的脉动也成相位差。压水反应堆失水事故下，堆芯再淹没速率受应急堆芯冷却剂驱动压头和堆芯上腔室背压控制，模拟模型试验表明，此时会发生流量振荡，在再淹没暂态的初始阶段，这种振荡现象特别激烈。f.弛压水池凝结振荡弛压水池凝结振荡是指蒸汽注入水池后发生直接接触凝结过程中形成的压力振荡。伸入沸水堆弛压水池的下降管出口处，高温蒸汽流量与低欠热度池水相遇，在出口处周围的气-液相界面运动状态与蒸汽流量、池水欠热度等有关，若蒸汽突然凝结，便导致池内压力振荡。根据Okazak报导，振荡循环特性为：（1）低凝结率时，管内蒸汽压力增加；（2）蒸汽压力增加使出口处气泡体积增大；（3）气-液交界面因气怕增大而膨胀，促使池水对流，冷池水到达交界面；（4）较冷池水到达，诱发快速凝结，使管内压力降低，气泡体积缩小；（5）重新加热出口处池水，交界面处的滞止池水回复到低凝结率状态，循环重新开始。g.压降振荡出现这种不稳定的流体系统，其加热流道上游具有可压缩体积（例如波动箱），以及加热流道运行在压降-流量内部特性曲线的负斜率区。可压缩体积提供质量调节，即提供压力调节。3．流动不稳定性分析方法广义来说，只要有了系统的数学模型及其边界条件便可分析研究不稳定性问题，用以预测不稳定性现象。由于实际的两相流动中，包含的不稳定性现象非常复杂，无法提出一种通用而可靠的分析模型。因而本节只能介绍常用的简单分析模型方法以及一些稳定性准则。1）描述系统动态特性的基本方程Tong广泛地评论过这一领域的研究工作，提出有滑移的一维流动方程讨论垂直流道内的热流体动力特性。其中包含连续方程、能量方程和动量方程；2）线性系统动态方程稳定特性3）热力系统稳定性研究的基本方法和稳定性准则研究两相流动系统动态稳定性的常用基本方法有直接解微分方程组、小扰动原理和动量积分方法等。此处主要讨论小扰动原理和动量积分方法。4）动量积分原理通常用动量积分原理分析并行流道稳定性问题。若少量流道在沸腾条件下运行，而其中大量流道运行在非沸腾状态，在外加驱动压头作用下，所有流道的总流量保持在一定值。虽然，沸腾流道可能会发生流利变化，但不沸腾流道的流量变化小，因而使各流道运行在基本恒定的压降条件下。这样，可以沿每一个通道计算动量积分，结合能量方程和状态方程，解出所有通道的联合积分方程式。Thanksforyourattention!