李远杰 李佳

[摘 要] 空泡份额实验是反应堆热工的基础性实验，该实验是基于两相流实验教学平台，学生通过分组的方式自主利用放射源及高速相机两种方法的基本原理对空泡份额进行测量，同时开发实验后处理的计算分析程序，对比分析实验结果，同时能够根据原理分析出在实验过程中可能出现的误差，并进一步开展系统性的误差分析。通过空泡份额自主实验教学的探索，极大地提高了学生实验的积极性及兴趣，为与反应堆工程相关的实验教学的开展提供了借鉴。

[关键词] 空泡份额;实验教学;自主设计

[基金项目] 2020年度安徽省教学研究项目“超临界二氧化碳自主创新实验研究”（2020jyxm2265）;2016年度安徽省教学研究项目“核科学与核技术专业实验教学体系研究”（2016jyxm1148）;2020年度教育部中央高校基本科研业务费专项资金资助（WK2140000017）

[作者简介] 李远杰（1984—），男，安徽无为人，博士，中国科学技术大学核科学与核技术教学实验中心工程师，主要从事反应堆工程研究。

[中图分类号] G482   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）27-0101-04   [收稿日期] 2021-02-01

气—液两相流广泛存在于核能、电厂、石油、化工、制药等领域，并且包含了非常复杂的流动机理[1]。在两相流中，气泡的交混增加了气—液两相之间质量、能量和动量的交换。不同于单相流动，由于气泡的存在使得气—液两相流的流动非常复杂[2]。气—液两相流中空泡份额的分布直接影响流动的特性。准确测量两相流中的空泡分布，揭示空泡分布的机理对两相流模型的发展至关重要。

空泡份额在反应堆两相流的研究中处于重要地位。汽—液两相流的空泡份额对核动力装置的设计是非常重要的，沸水堆的再循环倍率、冷却剂和慢化剂密度、堆芯中子动力学和反应堆的稳定性都与空泡份额有密切关系。现代压水堆的冷却剂在堆芯出口位置整体处于过冷状态，但允许堆芯最热通道存在欠热或饱和泡核沸腾，由气—液两相流动引起的堆芯CHF也非常引人关注，在过渡工况和事故工况下，压水堆堆芯和一回路系统都可能发生沸腾工况，这同样要求确定其空泡份额[3]。

子通道分析程序是反应堆热工水力分析和设计的重要工具之一，通常用于研究反应堆堆芯在各种设计工况下冷却剂的流动、传热特性和热工裕度，该程序在反应堆热工水力特性设计和热工安全性能分析中具有不可替代的作用。在这些反应堆热工分析中，临界热流密度（CHF）是重要的限制性热工参数，它的大小直接影响反应堆的安全性和经济性。因此，在安全评审中，子通道分析程序能否准确预测CHF值进而为安全分析提供依据具有十分重要的意义，空泡份额是描述反应堆堆芯气—液两相流动的重要参量之一，无论是堆芯子通道压降还是堆芯CHF，都以准确获取空泡份额作为首要条件，因此子通道程序分析程序能否准确预测堆芯或换热设备中的空泡份额分布，对于堆芯CHF的预测具有十分重要的意义。

空泡份额又称空泡率、截面孔隙率、孔隙率或截面含气率，指两相混合物流经任一截面时气相所占的面积A（v）与通道截面积A之比。

空泡份额反应任意截面上的结构分布变化，即气相占有的流道截面份额。通常空泡份额是一个瞬时量，与体积含气率有很大区别，体积含气率是一个积累量，与时间的积累有关[2，3]。

开展空泡份额基础实验，通过对各种流型的分析，以及和空泡份额之间的对应关系，有助于学生对反应堆热工理论知识的理解，并进一步提高学生的分析能力和实践能力。为了更好地开展空泡份额基础实验，中国科学技术大学核科学技术实验教学中心为了提升学生的参与感，实验前在班级采取自由组队，4人一组，选1人为组长，组长统筹安排实验的开展及组员的分工，主要包括空泡份额测量的原理、实验的开展、程序的编写、数据的分析及误差的来源分析。实验过程中要求采用两种方法对至少3種流型下的空泡份额开展测量。

一、空泡份额实验教学平台

空泡份额实验平台主要包括主系统、测量系统、控制系统、实验段四部分。

1.主系统，主要包括整个气—液循环回路，具体包括水箱、泵、流量计、阀门、管道、空气压缩机等，提供可观察的稳定的回路平台，并在回路平台上开展不同的流型实验。

2.采取的测量方法主要包括直接法和间接法。直接法利用高速相机观察实验段的流动特性，根据不同的流动特性记录实验中的气泡数量及不同的占比。间接法采取放射源测量，利用放射源测空泡份额的换算关系及数据处理来间接换算空泡份额。

3.控制系统主要包括对整个气—液两相流的回路进行流量及压力进行控制调节，使得回路中出现不同的流型。

4.实验段在这个回路中包括水平实验段和竖直实验段，水平实验段和竖直实验段在回路中的特性及流型有较大的区别，主要是重力及浮力的影响比较大，实验中要求学生针对水平实验段开展实验。

实验过程中，采取4人一组进行分工合作，完成整个实验实践过程及实验报告内容。主要包括实验的设计、实验的开展、数据的分析及实验结果的处理，实验结果处理需要各组学生自主开发程序进行分析。实验要求各小组在实验前编写程序并使程序有效运行后方可开展实验。学生开展的实验情况如图1所示。

二、实验流程

学生在实验过程中拿到放射源后，将放射源放置在实验段水管的下方，通过垫加支撑件使放射源紧贴住水管，正对着探测器，从而减小实验测量的误差。打开能谱测量系统程序，记录在不同气液混合比的情况下1分钟内探测器接收到的γ射线的读数，因为γ射线的强度正比于全能峰处的γ光子计数，为了减小误差，选取全能峰处的计数进行记录。

先关闭进水阀门，打开进气阀门，使水管内充满气体，等水管内部流态稳定后，记录1分钟内全能峰处的计数，连续测量多次，取平均数。