通过实验研究了虹吸断裂现象，并提出了一个理论模型。基于该理论模型开发了模拟程序，将模拟程序的结果与实验结果进行了比较。结果表明，模拟程序的结果与实验结果吻合良好。
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摘要
摘要
在研究堆的设计工况下，管道破裂引发的虹吸现象可能导致水持续向外流出。为防止此类外流，需要采用控制装置。虹吸破坏器是一种安全装置，可有效控制冷却水的流失。
为了分析虹吸破坏的特性，开展了一次全尺寸实验。实验结果表明，存在多个影响虹吸破坏现象的设计因素。因此，有必要建立一种能够预测和分析不同设计条件下虹吸破坏现象的理论模型。基于实验数据，成功构建了一个可准确预测虹吸破坏过程及结果的理论模型。该理论模型以流体力学为基础，并引入Chisholm模型用于分析两相流。根据伯努利方程，可获得或计算出流速、流量、水位过冲高度、水位、压力、摩擦系数以及与两相流相关的各项参数。此外，为便于应用本研究建立的模型，开发了一套虹吸破坏分析与设计程序。该仿真程序基于理论模型运行，并以图形形式输出结果。用户可通过观察图形的形态来判断虹吸破坏是否可能发生。同时，可保存完整的仿真结果，作为分析实际虹吸破坏系统的参考资料。
综上所述，用户可通过本研究开发的程序确认虹吸破坏的状态，并设计虹吸破坏系统。
引言
使用板状燃料的反应堆数量近期有所增加，例如约旦研究与培训反应堆（JRTR）和吉疆研究反应堆（KJRR）。为了便于连接板状燃料，研究用反应堆需要采用堆芯向下流动的冷却方式。由于研究堆对主冷却系统的净正吸入压头有要求，部分冷却系统组件可能需要安装在反应堆下方。然而，若反应堆下方的主冷却系统管道发生破裂，虹吸效应将导致冷却剂持续排出，可能使反应堆暴露于空气中。这意味着无法有效导出余热，从而可能引发严重事故。因此，在发生失水事故（LOCA）时，有必要设置能够防止严重事故的安全装置。虹吸破坏装置即为此类安全装置，它可通过引入空气有效阻止冷却水的排出。整个系统称为虹吸破坏系统。
已开展多项旨在提升研究堆安全性的研究。McDonald 和 Marten1 开展了一项实验，以验证虹吸破坏阀作为主动运行装置的性能。Neill 和 Stephens2 在小尺寸管道中利用虹吸破坏器作为被动运行装置进行了实验。Sakurai3 提出了一种分析模型，用于分析虹吸破坏过程，该模型采用了完全分离的气-液两相流模型。
虹吸破坏极为复杂，因为需要考虑诸多参数。此外，由于尚未开展针对真实尺度研究堆的实验，将以往研究结果应用于当代研究堆存在困难。因此，以往研究未能提出令人满意的虹吸破坏理论模型。基于此，本研究开展了真实尺度实验，以建立理论模型。
为研究虹吸断路器对研究堆的影响，浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology, POSTECH）与韩国原子能研究所（Korea Atomic Energy Research Institute, KAERI）开展了全尺寸验证实验4,5,6。图1为虹吸断路器实验的实际设施。图2为该设施的示意图，包含设施标识。
图 1. 虹吸中断演示实验装置。 主管道直径为 16 in，装置上安装有丙烯酸观察窗用于观测。孔板是用于描述压力下降的装置，因此在上部水箱底部设有孔板组件部分。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2. 实验装置示意图。 图中展示了测量点的位置。数字标示了相应位置：点0表示虹吸断路器的入口，点1表示水位，点2表示虹吸断路器与主管道的连接部分，点3表示失冷事故（LOCA）位置。请点击此处查看此图的放大版本。
虹吸破坏实验装置由一个上部水箱、一个下部水箱、管路系统和回流泵组成。上部水箱的容积为57.6 m3，底面积和深度分别为14.4 m2（4 m × 3.6 m）和4 m。下部水箱和失水事故（LOCA）位置位于上部水箱下方8.3 m处，其容积为70 m3，用于在实验期间储存水。下部水箱与回流泵相连，其中的水被泵送回上部水箱。管路系统主管道直径为16 in。虹吸破坏管线（SBL）的末端位于下部管道破裂点上方11.6 m处。此外，管道上安装了亚克力观察窗，以实现可视化观测，如图1所示。
安装了多个设备以测量物理信号。使用了两个绝对压力传感器（APTs）和三个差压传感器（DPTs）。为测量水的质量流量，采用了一台超声波流量计。通过数据采集系统以250 ms的时间间隔获取所有测量数据。除测量设备外，还安装了摄像头用于观察，并在上部水箱的内壁上附有标尺以检查水位。
实验中考虑了不同尺寸的失水事故（LOCA）和虹吸破坏器（SB），不同类型的虹吸破坏器（管线型/孔型），以及反应堆燃料和管道破裂点处是否存在节流孔。为了验证LOCA和SBL尺寸的影响，实验采用了多种尺寸的LOCA和SBL。LOCA尺寸范围为6 in至16 in，SBL尺寸范围为2 in至6 in。实验中使用了管线型和孔型两种虹吸破坏器，但本研究后续内容仅考虑JRTR和KJRR中所用的SBL类型。作为实验结果的示例，图3为包含压力和水流速率数据的图表。该实验于2013年10月4日进行，实验数据样本为LN23（管线型SB，无节流孔，12 in LOCA，2.5 in SBL）。
根据实验数据，建立了可预测虹吸断裂现象的理论模型。该理论模型以伯努利方程为基础，通过伯努利方程求得流体流速，再将流速乘以管道截面积即可得到体积流量。此外，利用体积流量还可推算出液位变化。理论模型的基本原理如上所述。然而，由于虹吸断裂现象属于两相流问题，还需考虑其他附加因素。为建立适用于两相流的分析模型，进行了精度验证试验。由于Chisholm模型比均相模型更为准确，因此采用Chisholm模型对这一现象进行分析。根据Chisholm模型，两相乘子公式表示为公式17。在该公式中，ф代表两相乘子，ρ代表密度，X代表干度。
(1)
在Chisholm模型中，引入了一个随质量流量变化的系数B。最终，推导Chisholm系数B与反应堆设计条件之间的关联公式，是该理论模型的关键所在。换句话说，实验的另一个目的是获取数据，以建立设计条件与Chisholm系数B之间的关系。根据实验结果，建立了设计条件与Chisholm系数B之间的关联公式。由此发展的理论模型能够较好地预测虹吸断裂现象。
此外，开发了一个带有图形用户界面（GUI）的模拟程序。根据图3中绝对压力数据的变化，该现象可分为三个阶段：失水阶段（单相流）、虹吸断裂阶段（两相流）和稳态阶段。因此，该算法的主要计算过程包括与实际现象三个阶段相对应的三个步骤。包括计算过程在内，描述整个模拟过程的算法如图48所示。
使用该软件（参见 补充视频 1) 开始模拟时，用户输入与设计工况相对应的输入参数，这些参数将被存储为固定值。若用户在输入参数后继续执行模拟，程序将进行第一步计算。第一步为单相流计算，即计算管道破裂后因虹吸效应导致的冷却剂流失。变量由理论模型自动计算（如伯努利方程、质量流量守恒等）。 等等。），计算结果将根据用户指定的时间单位依次存储在计算机内存中。
如果水位降至位置0以下，则意味着单相流结束，因为此时空气开始涌入SBL。因此，单相流的第一步计算持续进行，直到水位达到位置0。当水位处于位置0时，表示欠冲高度为零。欠冲高度是指虹吸断裂后SBL入口与上部水箱水位之间的高度差。换句话说，欠冲高度反映了虹吸断裂过程中水位下降的程度。因此，欠冲高度是一个重要参数，因为它可以用于直接确定冷却剂损失量。相应地，程序根据欠冲高度来判断第一步计算的终止。
如果回冲高度大于零，程序将执行第二步计算，以模拟两相流。由于虹吸破坏阶段同时存在水和空气的流动，因此必须考虑两种流体的物理性质。在此计算步骤中，需考虑两相乘子、干度和空隙率的数值。特别地，空隙率被用作第二步计算的终止判据。空隙率可表示为空气流量与空气和水流量之和的比值。第二步计算将持续进行，直至空隙率（α）值超过0.9。当α超过0.9时，程序进入第三步计算，该阶段对应于稳态。理论上，虹吸破坏的终止判据应为α = 1，因为此时管道中仅存在空气。但在本程序中，为避免计算过程中出现误差，将虹吸破坏的终止判据设定为α = 0.9。因此，结果会出现部分损失，但该误差可忽略不计。
稳态计算在用户设定的时间内进行。由于系统不再发生变化，稳态的特征是计算结果值始终保持恒定。如果虹吸破坏成功，上部水箱中水的最终液位将维持在某一特定值，而非零值。然而，如果虹吸破坏未能成功实现，冷却剂将几乎完全流失，水的最终液位将接近于零。因此，若稳态下水位值等于零，则表明给定的设计条件不足以完成虹吸破坏。
计算完成后，用户可以通过多种方式确认结果。结果显示了虹吸破坏的状态、虹吸破坏过程以及奇异性。该模拟程序能够真实地预测和分析该现象，并有助于虹吸破坏系统的设计。本文介绍了实验方案、实验结果以及模拟程序的应用。
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方案
1. 实验步骤4,5,6
- 准备步骤
- 检查实验装置。实验前，根据试验矩阵仔细核查试验条件，例如 LOCA 尺寸、SBL 尺寸、虹吸破坏器类型以及是否存在孔板。同时，进行测试以确认装置的仪器和组件工作正常，无数据噪声或故障。
- 使用下部水箱内的回流泵将水注入上部水箱。
- 去除SBL内的残余空气。使用真空泵和缓冲室从SBL中抽除残余空气。
- 检查上部水箱的初始水位，使用附在水箱上的尺子进行测量。
- 测试步骤
- 打开管道系统末端的阀门。
- 使用控制室中的数据采集系统，检查虹吸破坏现象期间测得的数据，如水位、流量和压力变化。若无冷却剂流出，则第一次实验结束。最后，根据给定的试验条件记录获得的实验结果。
- 改变测试变量（SBL 尺寸、LOCA 尺寸、孔口存在与否、LOCA 位置），如下所示。
- 依次将支管长度（SBL）更改为 2、2.5、3、4、5 和 6 英寸；给定的支管长度在位置 2 处通过法兰连接与主管相连 图2.
注意：实验变量（如小破口失水事故（SBL）尺寸、大破口失水事故（LOCA）尺寸以及孔板的存在与否）通过带螺栓和螺母的法兰连接进行调整，因此这些操作均为手动完成。 - 重复步骤 1.1.1 - 1.2.2，直至完成所有 SBL 尺寸的实验。
- 当LOCA位于位置1时，依次将LOCA尺寸调整为6、8、10、12、14和16英寸；给定的变径管在位置3通过法兰连接与主管道相连 图2.
- 重复步骤 1.1.1 - 1.3.2，直至完成所有 LOCA 尺寸的实验。
- 在上部水箱底部通过法兰连接安装（或拆卸）与主管道相连的孔板。
注意：此前步骤的实验是在无（或有）小孔的情况下进行的。因此，下一次实验应安装（或拆除）该小孔。- 进行此项操作时，需确保上部水箱内无水。
- 重复步骤 1.1.1 - 1.3.4。为验证在有（或无）孔口条件下 SBL 和 LOCA 尺寸的影响，需重复上述步骤。
- 将LOCA切换至位置2，因为上一步骤的实验已在LOCA位置1完成。为进行下一项实验，请更改LOCA位置。
注意：在实验装置中设置了两个失水事故（LOCA）位置。每个LOCA管道均配有隔离蝶阀，并连接至主管道系统。- 要改变LOCA位置，请关闭LOCA位置1的隔离蝶阀，并打开LOCA位置2的阀门。
- 重复步骤 1.1.1 - 1.3.6。
- 依次将支管长度（SBL）更改为 2、2.5、3、4、5 和 6 英寸；给定的支管长度在位置 2 处通过法兰连接与主管相连 图2.
2. 运行模拟程序
- 单击程序图标以运行虹吸断路模拟程序。
注意：该操作流程在补充视频1中进行了演示。如图所示，模拟程序的初始界面包含4个按钮（“显示参数”、“运行”、“手册”和“退出”）。当用户点击“显示参数”按钮时，将打开一个新的命令窗口，其中列出所有参数。用户可修改并确认各变量的数值。“运行”按钮会将输入参数代入内置公式进行计算。“手册”按钮用于显示程序使用说明及版本信息，“退出”按钮用于关闭程序。结果将在“显示结果”窗口中展示。 - 单击"显示参数"按钮。
- 根据给定的模拟条件修改输入数据。
- 单击"运行"按钮。
- 在“显示结果”窗口中查看水位曲线的形状。程序会按时间顺序整理结果数值，并自动绘制曲线图。
- 通过曲线形状直观判断是否可能发生虹吸断路；若水位或过冲高度在模拟结束前始终保持相同数值，则在给定条件下可能发生虹吸断路。参见图3。
- 在“显示结果”窗口中查看其他输出结果。请注意，共有八种输出选项可供查看（水位、过冲高度、压力、水流速度、气流速度、两相混合流速、流量和摩擦力），可通过复选框选择要显示的图形类型。
注意：由于可通过图形直观显示各参数随时间的变化，因此可一目了然地理解虹吸断路现象。 - 单击"计算特定时间"按钮，以确认不同时间点的输出具体数值。输入所需时间后，可查看对应时刻的计算结果。
- 单击"保存数据"按钮，保存所有模拟结果数据。
注意：结果将以文本文件格式保存，同时保存模拟条件。
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结果
虹吸破坏的整个过程包括三个阶段。第一阶段是由于虹吸效应导致冷却剂流出。第二阶段是通过低压管（SBL）开始进气以阻止冷却剂进一步流失的过程，称为虹吸破坏。虹吸破坏现象可表现为绝对压力的急剧上升 图3当绝对压力迅速升高后，由于水位下降，压力逐渐降低。在虹吸断裂结束时，由于部分残留水回流至上部水箱，绝对压力再次升高。当虹吸断裂完成后，冷却剂不再进一步泄漏，此状态称为“稳态”。由于系统不再发生状态变化，绝对压力也保持恒定。在第一阶段保持较高值的流量，随着虹吸断裂的开始而逐渐减小。当虹吸断裂成功完成时，冷却剂泄漏逐渐减少并最终停止，如图所示 视频 1. 压力差在 图3 在虹吸中断开始后，呈现出持续稳定上升的趋势。
若管道破裂时未安装虹吸断路器，由于虹吸效应，所有冷却剂都将泄漏。描述未安装虹吸断路器情况的实验如<...
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讨论
虹吸破坏装置是一种被动式安全装置，用于防止在管道破裂事故中冷却剂流失。然而，由于缺乏针对真实规模研究堆的实验，该装置难以应用于现代研究堆。为此，POSTECH与KAERI开展了全尺寸实验。实验的目的是验证虹吸破坏在真实尺寸下是否可行，并确定影响虹吸破坏的关键因素。实验结果表明，失水事故（LOCA）的尺寸和虹吸破坏线（SBL）的尺寸是影响欠冲现象的主要变量。
虹吸破坏的计算过于复杂，因为需要考虑许多参数。以往的研究尚未提出令人满意的虹吸破坏理论模型。因此，本研究基于全尺寸虹吸破坏器实验结果，建立了能够分析实际虹吸破坏现象的理论模型。该理论模型以流体力学和两相流的Chisholm模型为基础。根据伯努利方程，可推导出流速。此外，通过考虑两相流的理论模型，还可计算出体积流量、水位和过冲高度等其他重要变量。
接下来，基于该理论模型开发了仿真程序。将仿真结果与实验结果进行比较后表明，该理论模型能够分析真实的虹吸破裂现象。仿真结果可作为判断研究堆在管道破裂事故中安全性的依据，该程序也可用于虹吸破坏装置的设计。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由韩国国家研究基金会（NRF）资助，该基金会由韩国政府（未来创造科学部：MSIP）提供资金支持（项目编号：NRF-2016M2B2A9911771）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 绝对压力传感器 | Sensor Technics | CTE9000 | 0.05% 满量程误差 |
| 差压传感器 | Setra | C230 | 0.25% 满量程误差 |
| 超声波流量计 | Tokyo Keiki | UFP-20 | 分辨率 0.01m³/h |
| Visual Studio 2012 | Microsoft | Windows 8 | Microsoft Foundation Class |
| ERW 钢管 | Hyundai Hysco | KS D 3507(SPP) | 400A（外径）× 7.9mm（壁厚） |
参考文献
- McDonald, J., Marten, W. A Siphon Break as a Blocking Valve. , (1958).
- Neill, D. T., Stephens, A. G. Siphon Breaker Design Requirements 12. Experimental and Analytical Study. , Available from: https://www.osti.gov/scitech/biblio/6623426 (1993).
- Sakurai, F. JAERI-Research 99-016. Study for Improvements of Performance of the Test and Research Reactors. , (1999).
- Kang, S. H., et al. Final Report of Experimental Studies on Siphon Breaker. , Korea Atomic Energy Research Institute. (2011).
- Kang, S. H., et al. Experimental Study of Siphon breaker. , Korea Atomic Energy Research Institute. (2013).
- Kang, S. H. Siphon Breaker Design on Research Reactor with Real-Scale Experiment. , Pohang University of Science and Technology. (2015).
- Fossa, M., Guglielmini, G. Pressure Drop and Void Fraction Profiles during Horizontal Flow through Thin and Thick Orifices. Exp. Thermal Fluid Sci. 26, 513-523 (2002).
- Lee, K. Y., Kim, W. S. Development of siphon breaker simulation program for investing loss of coolant accident of a research reactor. Ann. Nucl. Energy. 101, 49-57 (2017).
- Lee, K. Y., Kim, W. S. Theoretical Study on Loss of Coolant Accident of a Research Reactor. Nucl. Eng. Des. 309, 151-160 (2016).
- Lee, K. Y., Seo, K. W., Chi, D. Y., Yoon, J. H., Kang, S. H., Kim, M. H. Experimental and analytical studies on the siphon breakers in research reactor. European Research Reactor Conference. , Prague, Czech Republic. 18-22 (2012).
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