1. 引言
自然循环作为主要的非能动技术之一，常被用于反应堆安全设计中以提高系统固有安全性。其基本原理是靠冷热源之间的流体密度差作为驱动力，在重力条件下完成整个循环 [1]。当反应堆发生停泵事故时，自然循环是将堆芯衰变热导出的主要方式。研究自然循环对设计出更安全、高效的核能系统具有重要意义。S-CO2在低、高温条件下表现出了截然不同的物理性质。尤其在拟临界区域，比热、密度、热导率等物理性质的急剧变化使其应用在能量转换上具有独特的优势(图1)。以S-CO2为工质的动力系统设备小巧紧凑，可降低建造周期和成本。同时其本身无毒易获取的特点，使得S-CO2成为核反应堆乃至其他领域内最具有应用前景的热力循环工质 [2] [3]。
现有研究发现，超临界流体在自然循环系统中存在流动不稳定现象。陈玉宙 [4] 开展了超临界水自然循环流动传热实验研究，在高功率观察到了流动不稳定现象。振荡发生时，自然循环传热也发生恶化。刘光绪 [5] 开展了超临界二氧化碳自然循环流动不稳定性实验研究，讨论了不同系统参数对流动不稳定性的影响。结果表明，提高系统压力和进口局部阻力系数，以及减小出口局部阻力系数，可以提高系统稳定性。除此之外，并联通道结构也可能发生流动不稳定现象，导致并联通道设备机械振荡和热疲劳。熊挺 [6] 开展了早期的超临界水并联通道流动不稳定研究，观察到并联通道间的异相振荡，并采用Ambrosini 和Sharabi提出的超临界流体无量纲参数定义振荡边界 [7]。张磊 [8] 等人在实验中观察到了两种类型的并联通道振荡现象，并定义为I类和II类密度波振荡。
目前已公开研究表明，超临界流体流动不稳定现象在自然循环系统和并联通道结构中都有可能发生。但是对于自然循环并联通道系统，其流动特性还并不明确。两种类型振荡的耦合效应仍然未知。为此，本文搭建了并联通道结构的自然循环实验台架，在不同加热功率区间内，观察到了系统性振荡、管间振荡两种类型四个区域的振荡区间。研究结果可对反应堆安全设计准则提供参考。
Figure 1. Carbon dioxide properties (9 MPa)
图1. 二氧化碳物性图(9 MPa)
2. 实验装置和实验步骤
2.1. 超临界二氧化碳自然循环台架
1.加热段 2.换热器 3.稳压器 4.增压泵 5.二氧化碳气瓶 6.真空泵 7.氮气瓶
Figure 2. Schematic diagram of experimental equipment
图2. 实验装置示意图
实验在四川大学物理学院核工程与核技术系反应堆热工水力实验室的超临界流体热工实验台架上开展，实验台架结构见图2。整个实验装置为矩形回路结构，整个回路高3 m，宽3.5 m，并行通道加热段长1.2 m，管道尺寸Ф14 mm × 2 mm，主管道尺寸Ф22 mm × 3.5 mm，冷却器长2.5 m，内管尺寸Ф11 mm × 1.5 mm。实验整个循环回路采用06Cr19Ni10不锈钢材料，并敷设保温棉，减少实验管道的热量损失。
实验台装置包括几个部分：
1) 试验加热段：加热采用两台大电流低电压(10 V, 800 A)的直流电源，通过与试验段连接的铜板通电的方式进行加热。
2) 冷却段：包括了由七根换热管组成的套管式换热器和二回路冷却装置，换热器壳程Ф120 mm × 10 mm，管内尺寸为Ф11 mm × 1.5 mm。换热器有效换热面积为0.4 m2，换热功率为16 KW。通过调节冷却水的温度流量，实现调节试验段进口温度的目的。
3) 压力控制系统：稳压器最大压力30 MPa，最高温度200℃，设计容积50 L。在工况压力下上部的氮气和下部的二氧化碳形成明显的分界面。通过调节顶部的氮气，可以实验对稳压器和实验回路的压力控制，保证实验过程的系统压力稳定。
4) 供气系统：由6个二氧化碳气瓶组成，气体压力5 MPa，纯度99.5%以上，通过增压泵将气体注入稳压器和实验回路。
5) 真空泵：通过真空泵消除回路中杂质气体的含量，以减少对实验结果造成的误差。
6) 测控系统：用Labview软件编写测控程序，实现对回路中温度、压力、压差等信号的显示和采集，以及对直流电源、二回路循环泵等装置的远程启停和功率调节。
2.2. 实验准备与方法
实验开始前对实验回路进行压力密封效果测试，注入高压二氧化碳后静置几小时观察系统压力变化，无衰减证明系统耐压性能良好，满足实验要求。开启供电系统，检查各仪表显示是否正常。对实验回路进行抽真空，再充入二氧化碳冲洗，重复几次上述抽真空和充气工作。完成清洗后对通过压缩机和增压泵对回路进行打压操作，从而达到实验工况压力。开启二回路冷却水泵，调节冷却水温度流量。
打开直流电源，阶跃式升高加热功率。每次给定功率后，观察系统流量、温度、壁温等变化情况，达到稳定后再增加功率，每次增加不超过上次稳定功率的5%。观察到不稳定现象后停止增加功率，控制系统压力和试验段进口温度保持恒定，记录至少10个周期的不稳定振荡数据。
3. 实验现象
3.1. 自然循环能力全区域变化
整个实验系统压力控制在8.8~9.1 MPa，实验段进口温度为289~303 K。流量计等效阻力系数45.06，实验段进口阻力系数30。不断增加加热功率，得到了图3所示的自然循环流量变化。可以看到，在整个加热功率区间范围内，自然循环能力随功率先持续增加，达到峰值后开始下降。当加热功率小于4.3 KW时，流量随加热功率变化呈阶跃式稳定上升。当加热功率为4.3 KW时，流动不稳定现象开始发生。在整个加热功率范围内，出口温度在拟临界点温度附近时增量变得平缓，这表明超临界二氧化碳的载热能力在拟临界区域达到峰值。
在整个加热功率区间内，流动不稳定性现象呈现了四个不同的区域，并出现了系统性振荡和管间振荡两种流动不稳定性现象。其中区域1、区域3表现为系统性振荡，区域2、区域4表现为管间振荡。相邻振荡两个区域之间为稳定区域，此时不稳定现象消失，质量流量稳定，并随着功率增加保持稳定上升。
Figure 3. Parallel channel mass flow versus time
图3. 双通道质量流量随时间的变化
Figure 4. Variation of inlet and outlet temperature of heating section with power
图4. 加热段进出口温度随功率的变化
3.2. 低功率不稳定现象
当加热功率到达4.3 KW时，实验段出口温度接近拟临界温度，此时流体密度急剧下降并发生如图5所示的系统性振荡。这种不稳定性的典型特征是主管道中的质量流量与并联通道的质量流量保持同相自持性振荡。振荡又可以大致划分为A、B、C三个区域，不同的区域其振荡周期和幅值略有差异。整个低功率区域振荡幅频特性如表1所示。
当加热功率达到不稳定边界时，出现了图6示的A区域系统性振荡现象，此时振荡周期约为29~59 s，振荡幅值约为稳定流量的10.8%~17%。加热功率达到4.77KW时，振荡进入B区域，如图7所示。此时振荡周期约为14~20 s，振荡幅值25%。加热功率超过4.9 KW时，振荡进入C区域，如图8所示，不稳定现象发生明显改变，此时振荡周期约为41~49 s，振荡幅值为15.2%~17.3%。在不同区域内增加加热功率，回路整体质量流量上升，振荡幅值和周期无明显变化。
Figure 5. Systematic oscillation at low power
图5. 低功率处系统性振荡
Figure 6. Systemic oscillation (region A)
图6. 系统性振荡(A区域)
Figure 7. Systemic oscillation (region B)
图7. 系统性振荡(B区域)
Figure 8. Systemic oscillation (region C)
图8. 系统性振荡(C区域)
Table 1. Amplitude-frequency characteristics of low-power oscillation in different regions
表1. 低功率振荡不同区域幅频特性
Figure 9. Low power oscillation between channels
图9. 低功率管间振荡
系统振荡消失后，随着功率增加，会出现第二种振荡模式，此时系统压力8.9 MPa，进口温度296~297 K。当加热功率达到7 KW左右时，振荡开始发生。这种振荡的典型特征如图9所示，定义为低功率管间振荡。其表现为主回路不发生波动，一个通道开始振荡，另一个通道发生流量漂移。相比与系统性振荡，管间振荡幅值很小，但是振荡周期波动范围很大(6~46 s)。继续增加功率，振荡通道中的流量逐渐稳定，另一个通道开始振荡。随着功率持续上升，振荡交替现象反复发生，直到流动不稳定现象消失。
3.3. 高功率不稳定现象
加热到高功率区域，先后出现了系统性振荡和管间振荡两种流量失稳现象，典型现象如图10所示。在区域3处，原本稳定的系统再次振荡，出现了一种类似于区域1的不稳定振荡。相比于区域1，此时的振荡周期很不稳定(13~47 s)，并随着功率增加逐渐减小。当周期小于13 s时，主回路质量流量开始稳定，振荡模式逐步过渡到管间振荡(区域4)。相比于低功率区域的管间振荡，此时振荡周期小很多，且波动很大(5~18 s)。振幅约为稳定流量的6.67%~21.9%。高功率区域振荡幅频特性如表2所示。
Table 2. Amplitude-frequency characteristics of high-power oscillation in different regions
表2. 高功率振荡不同区域幅频特性
3.4. 系统性振荡机理
(a) 
(b)
Figure 11. The total mass flow difference between the main circuit and the parallel channel during systematic oscillation, (a) low-power oscillation, (b) high-power oscillation
图11. 系统性振荡时主回路与并联通道总质量流量差值，(a) 低功率振荡，(b) 高功率振荡
图11为振荡发生时主回路与并联通道质量流量差值占总流量的百分比。可以看到在系统性振荡发生时，双通道质量流量之和与主回路质量流量测量值不同，且差值呈周期性波动变化。这表明振荡期间主回路与稳压器之间发生质量交换。这是由于超临界二氧化碳在拟临界区的物性畸变导致自然循环回路与稳压器之间出现压降差，在稳压器可压缩氮气的作用下，波动管内的流体在回路与稳压器之间往复流动。从图4可以看到，在此加热功率下，实验段出口流体温度达到了拟临界点温度，这说明超临界二氧化碳的振荡现象确实是由流体温度跨过拟临界点时其热力学性质巨大改变引起的，这与两相流系统中研究结果相似。
4. 结论
本次实验研究了超临界二氧化碳自然循环并联通道流动失稳特性，得到了自然循环并联通道系统下流动不稳定性的主要特征，结论如下：
· 自然循环循环流量随功率改变先快速增加，达到流量峰值后逐渐减小。实验段出口温度达到拟临界温度时，流量振荡现象发生。这表明拟临界区的物性变化是造成流动不稳定发生的重要原因。
· 自然循环并联通道中振荡行为主要有两种模式。一种是系统性振荡，表现为两个并联通道与系统同相振荡，其振荡具有周期长、振幅大的特点。另一种是通道间振荡，表现为两个平行通道呈现管间脉动，其振荡周期相对较小，且周期波动大。振荡发生时自然循环回路的其余部分始终保持稳定。
· 整个自然循环加热功率区间观察到了四个流量失稳区域。两种模式的振荡在低、高功率区域都有发生。低功率区域的系统性振荡随着功率改变表现出三种不同幅频特性。高功率区域的系统性振荡周期随功率增加逐渐减小，并最终演变为管间振荡模式。
NOTES
*通讯作者。