CN112577711B - 一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法，所述试验装置，包括循环回路，所述循环回路上还串联有泵、并联通道模拟体及换热器，还包括第一管段和第二管段；所述换热器包括：第一换热器、第二换热器；还包括相对于泵并联的旁通管段；第一管段、第二管段、旁通管段、第三管段上均设置有截断阀。所述方法基于所述试验装置。采用本方案提供的试验装置及方法，通过在同一试验系统内开展不同驱动方式下的并联通道流动失稳特性的实验研究，有效规避了不同流体驱动方式下不同系统以及闭式循环系统的自反馈特性的影响。

Description

一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法

技术领域

本发明涉及热工水力技术领域，特别是涉及一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法。

背景技术

并联通道之间的流动不稳定性现象广泛存在于反应堆工程、动力工程以及石化等诸多领域的诸多换热系统中。冷却剂流量的脉动可能导致部件产生有害的振动和疲劳损坏，同时还会带来热应力的周期性变化导致热疲劳损坏，甚至影响局部的传热特性导致传热恶化，降低安全性能。

对于不同的换热系统而言，冷却剂的驱动方式主要是能动和非能动两类，对于流动失稳而言，则主要体现为依靠外部构件（如泵）产生的驱动压力（强迫循环，第一类）和依靠密度差带来具有自反馈特性的循环驱动（第二类）。

对于这两类不同驱动方式下的流动失稳行为而言，具有自反馈特性的驱动方式下的并联质量流速由系统密度差和阻力特性综合而定，同时并非是实验研究过程中可以直接控制的参数。针对以上问题，为满足试验研究和具体流动系统设计需求，现有技术中出现了以流体在一定工况下流动特性或其他状态特性为获取对象的模拟装置和方法。

对热工水力特性研究及分析设计技术做进一步研究和探索，是本领域技术的发展具有重要意义。

发明内容

针对上述提出的对热工水力特性研究及分析设计技术做进一步研究和探索，是本领域技术的发展具有重要意义的技术问题，本发明提供了一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法。采用本方案提供的装置及方法，通过在同一试验系统内开展不同驱动方式下的并联通道流动失稳特性的实验研究，有效规避了不同流体驱动方式下不同系统以及闭式循环系统的自反馈特性的影响。

针对上述问题，本发明提供的一种并联通道流动失稳行为特性试验装置及方法通过以下技术要点来解决问题：一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，包括循环回路，所述循环回路上还串联有泵、并联通道模拟体及换热器，还包括均串联在泵与并联通道模拟体之间的第一管段和第二管段，第一管段和第二管段相互呈并联关系；

所述换热器包括：串联在第一管段上的第一换热器、串联在第二管段上的第二换热器；

还包括相对于泵并联的旁通管段，且所述旁通管段用于短接泵；

第一管段、第二管段、旁通管段、第三管段上均设置有用于实现各自截断的截断阀；

所述第三管段为：位于旁通管段在循环回路上的两个连接点之间，同时泵串联于其上的管段；

第二换热器与泵同高度设置，第一换热器相对于第三管段高位设置。

本方案针对：不同的系统对流动失稳特性有一定影响，并且为实现非能动循环，现有闭式循环系统必然带有的一定的自反馈特性，使得现有在开展能动（强迫循环）和非能动（依靠密度差带来具有自反馈特性的循环驱动）两类驱动方式进行冷却剂流量脉动对循环回路流体失稳研究时，存在难以剥离和表征的差异。这一缺陷在一定程度上制约了对于可能出现上述两种不同驱动方式的换热系统的热工水力特性研究及分析设计。

本方案针对以上问题，提出了一种在装置系统设计中，采用两个相互并联的换热器，且两换热器安装于不同高度位置、流体在循环回路中具体流动可根据具体失稳研究需要，选择性经过其中一个换热器的技术方案。

这样，在具体运用时，如循环回路中需要匹配的预热器、并联通道模拟体、流量计位于共用流体流通路径上，第一管段与第二管段择一开启，第一管段用于匹配自反馈特性下的流体失稳特性研究，第二管段用于强迫循环下的流体失稳特性研究。与第一管段和第二管段开启状态匹配的，旁通管段和第三管段择一开启，旁通管段开启时用于自反馈特性下的流体失稳特性研究，第三管段开启时用于强迫循环下的流体失稳特性研究，这样，强迫循环下的流体失稳特性研究和自反馈特性下的流体失稳特性研究可基于同一装置，这样，有效规避不同流体驱动方式下不同系统在开展流体失稳特性研究时存在的差异难以剥离和表征的问题。

具体第一管段和第二管段截断状态选取中，针对各自上分别设置的第一换热器和第二换热器，设置为强迫循环下的特性研究时，采用第二管段及第三管段作为循环回路的组成部分，由于第二换热器与泵等高设置，这样，可有效避免因为第二换热器引起的密度差导致的自反馈特性，达到规避闭式循环系统自反馈特性的影响的问题；在进行自反馈特性研究时，采用第一管段与旁通管段组成循环回路作为循环回路的组成部分，通过设置的第一换热器相对于第三管段高位设置，获得依靠密度差带来具有自反馈特性下的循环驱动力。

综上，本方案不仅可满足试验研究驱动对流体失稳特性的研究需要，同时具有可有效规避不同流体驱动方式下不同系统以及闭式循环系统的自反馈特性的影响的特点。

作为所述试验装置进一步的技术方案：

为优化：规避不同流体驱动方式下不同系统存在难以剥离和表征差异的问题，设置为：所述第一管段与第一换热器形成第一流体流通通路，第二管段与第二换热器形成第二流体流通通路，流体流经第一流体流通通路的阻力特性与流体流经第二流体流通通路的阻力特性相同。在具体运用时，优选设置为旁通管段与第三管段两者的阻力特性亦相同，这样，无论是基于强制循环还是基于自反馈特性循环，均可使得相应回路具有相同的阻力特性，实现在特定流体流动情况下，对在所选取的不同驱动方式进行并联通道流动失稳特性的影响研究，能够为可能出现上述两种不同驱动方式的换热系统的热工水力特性研究及分析设计提高理论和数据支撑。

如上所述，在具体运用时，针对不同的流体流动驱动方式，第一管段和第二管段择一开启。在择一开启的情况下，为减小另一管段对开启管段的影响，提升冷却剂流量的脉动对流体失稳行为的评价和分析准确性，设置为：在第一管段上，第一换热器的两端均设置有截断阀；在第二管段上，第二换热器的两端均设置有截断阀。即：第一管段和第二管段择一开启后，另一管段上的两截断阀均调整为截断状态。

更为完整的，为便于实现对流体进行加热和流量监测，设置为：还包括安装在所述循环回路上的预热器及流量计，流经第一管段、第二管段、旁通管段、第三管段、并联通道模拟体任意一者的流体均经所述预热器加热及经流量计测定流量。本方案中，针对所述循环回路，将所述预热器及流量计设置在公用管段上即可。

更为完整的，为便于实现对流体进行压力调节和维持，设置为：还包括连接在所述循环回路上的稳压器，所述稳压器用于整个循环回路的稳压及压力调节。本方案中，针对所述循环回路，将所述稳压器连接在公用管段上即可。

更为完整的，为便于实现对流体进行流量调节，设置为：还包括串联在所述循环回路上的调节阀，流经第一管段、第二管段、旁通管段、第三管段、并联通道模拟体任意一者的流体均可在调节阀的作用下调节流量。本方案中，针对所述循环回路，将所述调节阀串联在公用管段上即可。

本方案还公开了一种并联通道流动失稳行为特性试验方法，该方法用于并联通道模拟体流动失稳行为特性研究，该试验方法基于以上任意一项所述的试验装置，其中，在开展强迫循环下的特性研究时，利用泵提供驱动力，同时通过相应截断阀，截断旁通管段、第一管段，使流体经第二管段形成流经并联通道模拟体的循环回路；在开展自反馈特性下的特性研究时，通过相应截断阀，截断第三管段和第二管段，使流体经第一管段形成流经并联通道模拟体的循环回路。如上所述，采用本方法，不仅可满足试验研究驱动对流体失稳特性的研究需要，同时具有可有效规避不同流体驱动方式下不同系统以及闭式循环系统的自反馈特性的影响的特点。

作为所述试验方法进一步的技术方案：

对于由泵提供驱动压头的并联通道流动失稳而言，由于闭式循环回路的压降远大于并联通道进出口压降，因而在准稳态实验研究的全过程中可以通过调节阀很好地控制进口的质量流速，并且该流速通过调节阀时的响应较快。为便于匹配两种流体流动失稳流量的一致性，设置为：自反馈特性下的特性研究位于强迫循环下的特性研究之前。

更为完整的，为匹配梁总驱动方式下流体状态参数的一致性，设置为：在强迫循环下的特性研究中，循环回路中的流量为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的流量；循环回路中的温度为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的温度；循环回路中的压力为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的压力。

作为本领域技术人员，以上并联通道模拟体即用于模拟并联通道，可直接为需要被模拟的并联通道，亦可为用于模拟相应并联通道的模拟体。

本发明具有以下有益效果：

本方案提出了一种不同驱动方式对并联通道流动失稳行为特性的研究方法，在同一实验系统内开展不同驱动方式下的并联通道流动失稳特性的实验研究，从而有效规避不同系统带来的影响以及闭式循环系统自反馈特性的影响，解决了驱动方式对流动失稳特性影响难以准确表征和研究的问题。

本发明可用于不同驱动方式条件下的并联通道流动失稳特性实验研究，能够有效的规避不同系统带来的影响以及闭式循环系统的自反馈特性的影响，实现对驱动方式对并联通道流动失稳特性的影响研究，能够为可能出现上述两种不同驱动方式的换热系统的热工水力特性研究及分析设计提高理论和数据支撑。

附图说明

图1为本发明所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验装置一个具体实施例的结构示意图。

图中标记分别为：1、第一换热器，2、第二换热器，3、稳压器，4、泵，5、并联通道模拟体，6、预热器，7、流量计，8、调节阀，9、第一管段，10、第二管段，11、旁通管段，12、第三管段。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

如图1所示，一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，所述循环回路上还串联有泵4、并联通道模拟体5及换热器，还包括均串联在泵4与并联通道模拟体5之间的第一管段9和第二管段10，第一管段9和第二管段10相互呈并联关系；

所述换热器包括：串联在第一管段9上的第一换热器1、串联在第二管段10上的第二换热器2；

还包括相对于泵4并联的旁通管段11，且所述旁通管段11用于短接泵4；

第一管段9、第二管段10、旁通管段11、第三管段12上均设置有用于实现各自截断的截断阀；

所述第三管段12为：位于旁通管段11在循环回路上的两个连接点之间，同时泵4串联于其上的管段；

第二换热器2与泵4同高度设置，第一换热器1相对于第三管段12高位设置。

本方案针对：不同的系统对流动失稳特性有一定影响，并且为实现非能动循环，现有闭式循环系统必然带有的一定的自反馈特性，使得现有在开展能动（强迫循环）和非能动（依靠密度差带来具有自反馈特性的循环驱动）两类驱动方式进行冷却剂流量脉动对循环回路流体失稳研究时，存在难以剥离和表征的差异。这一缺陷在一定程度上制约了对于可能出现上述两种不同驱动方式的换热系统的热工水力特性研究及分析设计。

本方案针对以上问题，提出了一种在装置系统设计中，采用两个相互并联的换热器，且两换热器安装于不同高度位置、流体在循环回路中具体流动可根据具体失稳研究需要，选择性经过其中一个换热器的技术方案。

这样，在具体运用时，如循环回路中需要匹配的预热器、并联通道模拟体5、流量计位于共用流体流通路径上，第一管段9与第二管段10择一开启，第一管段9用于匹配自反馈特性下的流体失稳特性研究，第二管段10用于强迫循环下的流体失稳特性研究。与第一管段9和第二管段10开启状态匹配的，旁通管段11和第三管段12择一开启，旁通管段11开启时用于自反馈特性下的流体失稳特性研究，第三管段12开启时用于强迫循环下的流体失稳特性研究，这样，强迫循环下的流体失稳特性研究和自反馈特性下的流体失稳特性研究可基于同一装置，这样，有效规避不同流体驱动方式下不同系统在开展流体失稳特性研究时存在的差异难以剥离和表征的问题。

具体第一管段9和第二管段10截断状态选取中，针对各自上分别设置的第一换热器1和第二换热器2，设置为强迫循环下的特性研究时，采用第二管段10及第三管段12作为循环回路的组成部分，由于第二换热器2与泵4等高设置，这样，可有效避免因为第二换热器2引起的密度差导致的自反馈特性，达到规避闭式循环系统自反馈特性的影响的问题；在进行自反馈特性研究时，采用第一管段9与旁通管段11组成循环回路作为循环回路的组成部分，通过设置的第一换热器1相对于第三管段12高位设置，获得依靠密度差带来具有自反馈特性下的循环驱动力。

综上，本方案不仅可满足试验研究驱动对流体失稳特性的研究需要，同时具有可有效规避不同流体驱动方式下不同系统以及闭式循环系统的自反馈特性的影响的特点。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，为优化：规避不同流体驱动方式下不同系统存在难以剥离和表征差异的问题，设置为：所述第一管段9与第一换热器1形成第一流体流通通路，第二管段10与第二换热器2形成第二流体流通通路，流体流经第一流体流通通路的阻力特性与流体流经第二流体流通通路的阻力特性相同。同时在本实施例中，设置为旁通管段11与第三管段12两者的阻力特性亦相同，这样，无论是基于强制循环还是基于自反馈特性循环，均可使得相应回路具有相同的阻力特性，实现在特定流体流动情况下，对在所选取的不同驱动方式进行并联通道流动失稳特性的影响研究，能够为可能出现上述两种不同驱动方式的换热系统的热工水力特性研究及分析设计提高理论和数据支撑。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如上所述，在具体运用时，针对不同的流体流动驱动方式，第一管段9和第二管段10择一开启。在择一开启的情况下，为减小另一管段对开启管段的影响，提升冷却剂流量的脉动对流体失稳行为的评价和分析准确性，设置为：在第一管段9上，第一换热器1的两端均设置有截断阀；在第二管段10上，第二换热器2的两端均设置有截断阀。即：第一管段9和第二管段10择一开启后，另一管段上的两截断阀均调整为截断状态。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，如上所述，更为完整的，为便于实现对流体进行加热和流量监测，设置为：还包括安装在所述循环回路上的预热器及流量计，流经第一管段9、第二管段10、旁通管段11、第三管段12、并联通道模拟体5任意一者的流体均经所述预热器加热及经流量计测定流量。本方案中，针对所述循环回路，将所述预热器及流量计设置在公用管段上即可。

更为完整的，为便于实现对流体进行压力调节和维持，设置为：还包括连接在所述循环回路上的稳压器3，所述稳压器3用于整个循环回路的稳压及压力调节。本方案中，针对所述循环回路，将所述稳压器3连接在公用管段上即可。

更为完整的，为便于实现对流体进行流量调节，设置为：还包括串联在所述循环回路上的调节阀8，流经第一管段9、第二管段10、旁通管段11、第三管段12、并联通道模拟体5任意一者的流体均可在调节阀8的作用下调节流量。本方案中，针对所述循环回路，将所述调节阀8串联在公用管段上即可。

实施例5：

本实施例在以上任意一个实施例提供的任意一个技术方案的基础上作进一步限定，本方案还公开了一种并联通道流动失稳行为特性试验方法，该方法用于并联通道模拟体5流动失稳行为特性研究，该试验方法基于以上任意一项所述的试验装置，其中，在开展强迫循环下的特性研究时，利用泵4提供驱动力，同时通过相应截断阀，截断旁通管段11、第一管段9，使流体经第二管段10形成流经并联通道模拟体5的循环回路；在开展自反馈特性下的特性研究时，通过相应截断阀，截断第三管段12和第二管段10，使流体经第一管段9形成流经并联通道模拟体5的循环回路。如上所述，采用本方法，不仅可满足试验研究驱动对流体失稳特性的研究需要，同时具有可有效规避不同流体驱动方式下不同系统以及闭式循环系统的自反馈特性的影响的特点。

实施例6：

本实施例在实施例5的基础上作进一步限定：对于由泵4提供驱动压头的并联通道流动失稳而言，由于闭式循环回路的压降远大于并联通道进出口压降，因而在准稳态实验研究的全过程中可以通过调节阀8很好地控制进口的质量流速，并且该流速通过调节阀8时的响应较快。为便于匹配两种流体流动失稳流量的一致性，设置为：自反馈特性下的特性研究位于强迫循环下的特性研究之前。

更为完整的，为匹配梁总驱动方式下流体状态参数的一致性，设置为：在强迫循环下的特性研究中，循环回路中的流量为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的流量；循环回路中的温度为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的温度；循环回路中的压力为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的压力。

实施例7：

本实施例提供一种具体的实现方式，如图1所示：

1、 首先开展自反馈特性循环驱动方式下的流动失稳特性研究

关闭截止阀V1、V4、V7，开通截止阀V2、V5、V6，利用调节阀8调节回路阻力特性，利用预热器调节并联通道模拟体5进口温度，利用稳压器3控制回路压力，利用流量计检测各通道流量，台阶式提升并联通道模拟体5的加热功率，构建回路中冷热段的密度差从而驱动回路中的冷却工质运转，持续台阶式提升并联通道模拟体5的加热功率直到流动失稳发生，并持续一段时间记录相关参数；如沸腾临界先于流动失稳出现，则在壁温飞升时移除部分功率，保护并联通道模拟体5。

2、其次进行基于泵4的强迫循环驱动方式下流动失稳特性研究

关闭截止阀V2、V5、V6，开通截止阀V1、V4、V7，启动泵4驱动冷却工质运转，利用流量计检测各通道流量并利用调节阀8调节流量至自反馈特性循环驱动方式下流动失稳发生时的流量，利用预热器调节并联通道模拟体5进口温度至自反馈特性循环驱动方式下流动失稳发生时的温度，利用稳压器3控制回路压力为自反馈特性循环驱动方式下失稳发生时的压力，台阶式提升并联通道模拟体5的加热功率直到流动失稳发生，并持续一段时间记录相关参数；如沸腾临界先于流动失稳出现，则在壁温飞升时移除部分功率，保护并联通道模拟体5。

3、对比分析两类驱动方式下的流动失稳特性

利用以上1和2完成两类驱动方式在同一实验系统相同热工参数下的流动失稳特性实验研究的基础上，通过失稳界限含气率以及进口过冷度数和相变数构建的失稳边界，对比分析两类驱动方式条件下的流动失稳特性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，包括循环回路，所述循环回路上还串联有泵（4）、并联通道模拟体（5）及换热器，其特征在于，还包括均串联在泵（4）与并联通道模拟体（5）之间的第一管段（9）和第二管段（10），第一管段（9）和第二管段（10）相互呈并联关系；

所述换热器包括：串联在第一管段（9）上的第一换热器（1）、串联在第二管段（10）上的第二换热器（2）；

还包括相对于泵（4）并联的旁通管段（11），且所述旁通管段（11）用于短接泵（4）；

第一管段（9）、第二管段（10）、旁通管段（11）、第三管段（12）上均设置有用于实现各自截断的截断阀；

所述第三管段（12）为：位于旁通管段（11）在循环回路上的两个连接点之间，同时泵（4）串联于其上的管段；

第二换热器（2）与泵（4）同高度设置，第一换热器（1）相对于第三管段（12）高位设置。

2.根据权利要求1所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，其特征在于，所述第一管段（9）与第一换热器（1）形成第一流体流通通路，第二管段（10）与第二换热器（2）形成第二流体流通通路，流体流经第一流体流通通路的阻力特性与流体流经第二流体流通通路的阻力特性相同。

3.根据权利要求1所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，其特征在于，在第一管段（9）上，第一换热器（1）的两端均设置有截断阀；在第二管段（10）上，第二换热器（2）的两端均设置有截断阀。

4.根据权利要求1所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，其特征在于，还包括安装在所述循环回路上的预热器（6）及流量计（7），流经第一管段（9）、第二管段（10）、旁通管段（11）、第三管段（12）、并联通道模拟体（5）任意一者的流体均经所述预热器（6）加热及经流量计（7）测定流量。

5.根据权利要求1所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，其特征在于，还包括连接在所述循环回路上的稳压器（3），所述稳压器（3）用于整个循环回路的稳压及压力调节。

6.根据权利要求1所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验装置，其特征在于，还包括串联在所述循环回路上的调节阀（8），流经第一管段（9）、第二管段（10）、旁通管段（11）、第三管段（12）、并联通道模拟体（5）任意一者的流体均可在调节阀（8）的作用下调节流量。

7.一种并联通道流动失稳行为特性试验方法，该方法用于并联通道模拟体（5）流动失稳行为特性研究，其特征在于，该试验方法基于权利要求1至6中任意一项所述的试验装置，其中，在开展强迫循环下的特性研究时，利用泵（4）提供驱动力，同时通过相应截断阀，截断旁通管段（11）、第一管段（9），使流体经第二管段（10）形成流经并联通道模拟体（5）的循环回路；在开展自反馈特性下的特性研究时，通过相应截断阀，截断第三管段（12）和第二管段（10），使流体经第一管段（9）形成流经并联通道模拟体（5）的循环回路。

8.根据权利要求7所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验方法，其特征在于，自反馈特性下的特性研究位于强迫循环下的特性研究之前。

9.根据权利要求8所述的一种并联通道流动失稳行为特性试验方法，其特征在于，在强迫循环下的特性研究中，循环回路中的流量为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的流量；循环回路中的温度为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的温度；循环回路中的压力为自反馈特性下特性研究中流体失稳发生时的压力。

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