219440712_高温高压水浸没射流条件下液池内闪蒸特性探析

▋引言
在压水反应堆系统发生蒸汽发生器传热管破裂事故时，包含放射性产物的一回路冷却剂泄漏到二回路，裂变产物将可能直接通过蒸汽发生器排入大气，造成大量放射性核素外放的风险。

由于压水堆内一回路冷却剂运行压力及温度均远高于二次侧，根据不同的事故序列进程，当传热管破裂时，一回路冷却剂既可能产生大量相变并以蒸汽的形式进入到二次侧，也可能会以高压水的形式泄漏并在通过破裂口的过程中闪蒸，将放射性裂变产物带入到二回路。

二回路内的液相会与一回路排入的蒸汽相互作用，将一回路带入的放射性裂变产物滞留在二回路液相中，减少放射性物质向气相环境的释放。

高温高压水射流的过程中会对液池输入大量的动能和热能，所以在射流过程中液池内的水体会发生温度变化，另外还需要注意在这样的能量传递过程中高温高压水出现的闪蒸现象。

因此排放过程中液池的热工水力现象研究对一二回路之间的放射性物质分布有重要意义，所以本文将研究高温高压水淹没射流条件下池内的水力行为。

同时，传播并行优化相关科学知识。

关于闪蒸的相关问题，近20年间已经有大量学者进行了精细的研究，杨[1]等人研究了真空状态下未达到沸腾条件的水经过降压闪蒸后发生的现象，从此处得到启发进行含有一定过冷度条件的射流实验从而探索其中的规律；季
[2-3]
等人研究了在闪蒸室内不同温度、压力的水闪蒸后流量
以及效率的关系，这为本文中浸没射流后闪蒸行为提供了重要的数据参考；赵[4]等人总结了近年来国内外学者对闪蒸特性的研究以及该研究在工程中的应用；景[5]与李[6]等人通过数值模拟计算方式，得到了不同初始条件下闪蒸状态发生的不同结果，吴[7]等人运用照相与PDA 技术观察了柴油闪蒸喷雾雾束形状与压力雾化的区别，研究了喷射压力和水温对喷雾特性的影响。

周[8-9]等人以制冷剂R134a 闪蒸喷雾为研究对象，得出了液滴速度和液滴直径随距离的变化规律。

Miyatake 等人[10]研究了射流初始温度为 60℃时，过热度、流速、喷嘴直径对闪蒸的影响，发现液体射流闪蒸速率比池水闪蒸快得多。

El-Fiqi 等人[11]在实验中得出了闪蒸蒸发量与初始温度、闪蒸压力、过热度的关系。

通过学习不同学者对闪蒸的研究，结合实验与数值
作者简介：吴琦，研究生（在读），研究方向为反应堆事故工况下热工水力实验研究。

高温高压水浸没射流条件下液池内闪蒸特性探析
◎吴　琦　谷海峰　鄂鑫诺　周艳民　周昊昊（哈尔滨工程大学，黑龙江　哈尔滨　150001）
摘要：在蒸汽发生器传热管发生破口时，冷却剂在破口处出现闪蒸，以蒸汽与水混合射流的形式进入二次侧液相。

文章以此为背景开展高温高压水浸没射流条件下两相闪蒸机理研究，对闪蒸份额进行计算并分析其影响因素，结果表明饱和状态高温高压水闪蒸份额随温度（压力）的升高而升高但趋势逐渐变缓；具有一定过冷度状态的高温高压水闪蒸份额随过冷度增加而近似线性增加；在保证闪蒸发生完整的情况下，其他参数的改变不会影响闪蒸份额。

文章的研究成果可用于对比验证闪蒸效率模型。

关键词：高温高压水浸没射流；闪蒸；闪蒸份额
▲图1　可视化观测实验装置图
关于闪蒸份额的确定，可通过对比相同压力条件下的蒸汽射流造成的能量传递来理论计算闪蒸后的能量传递结果从而推算出闪蒸份额，具体计算方法如下所示：
根据热力学定律，假设闪蒸过程中汽相饱和，汽液两相达到平衡，射流过程中损失的热量不计，建立高温高压水射流进入常压液池闪蒸过程的质量和能量方程。

将整个常压液池看作一个控制体积，闪蒸过程中液体突然处于过热的状态，为蒸汽的形成提供潜热，闪蒸后的蒸汽再向常压水
▲图2　闪蒸份额与饱和高压水温度的关系 从图2中可以清晰地看出闪蒸份额的变化情况会随着饱和高压水的温度（压力）增加而增加，且增加趋势逐渐变慢趋近于抛物线状，可以推测随着温度的再提高闪蒸份额还会继续增加但增加速度会逐渐减缓。

从闪蒸份额结果的数值量级来看，在高温高压水与常压状态之间的压差较小时，闪蒸份额仅占射流水体总质量的百分之一以下，当饱和的高压水体温度升高至118.5℃时，即高压水与常压水压差大于0.08MPa时，闪蒸发生的发生现象较为明显且此时可以通过测量实验过程中的相关参数并对其进行计算从而得到闪蒸份额的结果，从计算的结果来看闪蒸比例随着压差的增大逐渐增加，但增加的趋势越
▲图3　饱和水温度不变时闪蒸份额与常压水温度的关系从图3中可以清晰地看出，当饱和的高温高压水工况以及其他参数不变的情况下，仅改变常压水箱内的初始水温度对闪蒸份额的影响非常小，闪蒸份额的数值会出现小范围的波动但并不影响其量级；且这种影响并无明显的规律可言，对比不同温度压力下的饱和高温高压水射流过程中的闪蒸份额变化情况发现闪蒸份额数值变化的趋势均不一致，数值上下波动的界限也都不同且与饱和水温度的变化没有直接的联系。

因此可得出结论对于饱和状态的高温高压水浸没射流后的闪蒸来说，在不存在蒸发、沸腾等物理变化影响时，常压水箱内水体的温度对射流过程中的闪蒸份额数值几乎
▲图4　闪蒸份额随过冷度的变化情况
▲图5　不同温度状态下闪蒸份额随过冷度的变化
对比分析了水体温度分别为124℃、128℃、130℃以及138℃状态下闪蒸份额随过冷度的变化情况，从结果图中可以非常明显地看出在不同的水体温度状态下，闪蒸份额的变化情况较为一致，即随着过冷度的增加而增加，且增加趋势都近似于线性增长。

这一结果与上述推测高度符合，因此可以近似认定在具有过冷度工况下的高温高压水浸没射流后发生闪蒸效果会随着过冷度的增加而增加，且增加的趋势也非常一致为一次函数形均匀上升。

2.3　其余参数对闪蒸份额的影响
结合已有的饱和状态下的闪蒸份额计算结果，研究射
▲图6　饱和状态不同温度闪蒸份额随流量的变化 
▲图7　饱和状态不同浸没深度闪蒸份额的变化
从上图6、7、8中可以清晰地看出在仅改变射流流量、浸没深度或者射流方向的条件下，闪蒸份额随着饱和高温高压水温度的变化情况始终保持一致，数值会出现一定范围内的上下波动但都并不影响其量级，由此可见尽管流量、浸没深度以及射流方向发生了变化，但是对于闪蒸份额几乎没有什么影响，其原因应为改变这些变量并不会对闪蒸的整个过程造成影响，只要闪蒸过程完全发生，那么在此
▲图8　饱和状态不同射流方向闪蒸份额的变化 
▋三、结语
（1）饱和高温高压水射流过程中的闪蒸份额会随着水温（压力）升高而增加，但增加趋势逐渐变缓。

（2）对于饱和状态的高温高压水浸没射流后的闪蒸来说，在不存在蒸发、沸腾等物理变化影响时，常压水箱内水体的温度对射流过程中的闪蒸份额数值几乎没有影响。

（3）闪蒸份额随着过冷度的增加逐渐变高，且增加趋势较为平缓更接近于一次函数曲线，因此推测继续增加高温高压水的过冷度，射流后造成的闪蒸现象会更加剧烈即闪蒸份额会继续增大。