（1）不稳定性分析

流量漂移也称为水动力不稳定性，其特点是正常流量突然变成低流量。Ledinegg在1938年最早研究了这种流动不稳定性，所以又称为Ledinegg不稳定性。发生水动力不稳定性的原因，可以由一个具有恒定热量输入的沸腾通道的压降Δp与流量W之间的关系曲线，即水动力特性曲线（图4-36）来说明。当进入通道内的水流量很大、外加的热量不足以使水达到沸腾时，通道内流动的流体全都是液态水。如果流量降低，则通道内的压降也随着按单相水的水动力特性曲线单调下降（图4-36曲线Ⅱ中的cb段）。当进入通道内的水流量降低到一定程度后，通道内开始出现沸腾段，这时压降随流量变化的趋势就要由两个因素来决定：

①由于流量降低，压降有下降的趋势。

②由于发生沸腾，汽水混合物体积膨胀、流速增加，从而使压降反而随流量的减少而增大。

压降究竟随流量如何变化，要看这两个因素中哪一个起主要作用。如果第一个因素起主要作用，则压降就会随流量的减少而降低。图4-36中的曲线Ⅰ就属于这种情况，这种情况的分析与单相情况类似。如果第二个因素起主要作用，就会出现流量减少，压降反而上升的现象（图4-36曲线Ⅱ中的ba段）。到了a点所对应的流量Wa以后，如果继续降低流量，通道出口处的含汽量就会很大，甚至会出现过热段。流量越低，过热段所占的比例越大，这时体积膨胀的因素对增加压降所起的作用已经很小了，压降差不多会沿着过热蒸汽的水动力特性曲线随流量而单调下降（图4-36曲线Ⅱ中的aO段）。图4-36曲线Ⅱ表明的情况说明，Δp与W之间并不是单调关系，在曲线a、b两点之间所包含的压降范围内，对应一个压降可能有3种不同的流量。由于水动力特性曲线的这种变化，当提供一个外加驱动压头Δpd时，通道中的流量就有可能出现不同的数值，可以是W1，也可以是W3，而W2所对应的状态是亚稳态的。如果并联工作的各个通道处于这种流动工况，虽然它们两端的压差是相等的，但是却可以具有不相同的流量。某一个通道中的流量可能时大时小（非周期的变化）。与此同时，在并联通道的总流量不变的情况下，其他通道的流量也会发生相应的非周期变化，这就发生了水动力不稳定性。

（2）稳定性准则

根据上面的分析，如果系统运行在图4-36中曲线Oa段、bc段，即正斜率[∂Δpt/∂G>0]区段，则流动是稳定的。例如运行在bc段（或Oa段），此时进入通道内的流量有一个微量变化，如增加一个微量的ΔG，则系统压降将变得比驱动压头大，这样就会使流量减小，从而使系统恢复到原来的运行点。相反地，若流量减少一个微量ΔG，则这对驱动压头要比系统的压降大，从而迫使流体加速，流量增大，直到恢复到点1或点3为止。

如果系统运行在ab段，即负斜率[∂Δpt/∂G<0]区段，则流动是不稳定的。例如运行在点2，流动就不再稳定。此时流量不管是增加还是减少，系统将不能再恢复到点2运行。质量流量或者增加到能够稳定运行的点3，或者减少到点1，这样就产生了流量漂移。

在[∂Δpt/∂G<0]的这个区段内，若能提供这样一个驱动压头随流量的变化曲线，即负斜率的绝对值比水动力特性曲线的负值更小（图4-36中虚线de所示），则就可以使流量稳定下来。此时若通道内的流量有所增加，则由于驱动压头低于系统压降，流体将减速，从而使流量重新稳定在运行点2，虽然∂Δpt/∂G是负的，但系统仍然是稳定的。

图4-36　加热通道内的水动力特性曲线

综上所述，当管路特性曲线的压降-流量曲线斜率代数上低于了回路驱动压头曲线的斜率，就会发生该类流动不稳定性。因此避免出现Ledinegg的流动不稳定性判据为：

该流动不稳定性发生的条件是流量增加而压降降低的管路特性曲线呈现负斜率的区域。在低压过冷沸腾系统中，如果回路中有加热通道，又有平行的大旁通时，在恒定压降的条件下，流量漂移导致CHF总在压降-流量曲线的最低点发生。图4-37中示出了CHF总在远低于通道正常CHF值下发生。Ledinegg流动不稳定性代表了有共同联箱大量平行管的限制条件，因为每个单独的通道都可以看作具有不变的压降。将流量工况稳定控制在最小值到CHF之间一般通过入口节流实现，但这样做所导致的驱动压力增加值变得很可观，也会大幅度降低系统的自然循环能力。因此如何平衡这两者之间的关系是一个重要的研究课题。向下流动的平行通道系统会经历有所不同的流量漂移，在某些通道会发生流动反转。在加热的下降通道中，因为动量和重力压降项的相互作用，压降/流量曲线经常发生最小值现象。

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图4-37　在恒定压降下临界热流密度与质量流率的关系

（3）防止水动力不稳定性的措施

从上面的分析可以看出，要防止水动力不稳定性可以从下述几个方面着手。

①系统不在水动力特性曲线[∂Δpt/∂G<0]的区段内运行。如果遇到系统必须在该区段运行，可选用大流量下压头会大幅降低的水泵，以满足[∂Δp/∂G]d-[∂Δp/∂G]t<0的要求。

②使水动力特性曲线趋于稳定，即消除曲线中的[∂Δpt/∂G<0]的区段，使Δpt对G成为单值函数。其主要方法有：

a.在通道进口加装节流件，增大进口局部阻力。图4-38中的曲线2为节流件阻力损失与流量的关系，因为通道进口一般为过冷水，比体积不变，所以其压降随流量的增大而增加。曲线1为未装节流件时通道的水动力特性。曲线3则为加装节流件后的通道的水动力特性。曲线3是曲线1和曲线2以流量相等的压降叠加而得。此时一个压降和流量的关系即变为单调上升。该方法是工程实践中最常用的方法。

图4-38　用节流稳定水动力特性

1—未加节流件时的水动力特性；2—节流件的压降特性；3—加装节流件后的水动力特性

b.选取合适的系统参数。系统的运行压力越高，两相间的比体积就相差越小，流动也就越稳定，如图4-39所示。这是因为两相流出现流动不稳定性的根本原因在于，当水变成蒸汽时，汽水混合物的比体积变化比较大。当压力达到临界压力时，汽水混合物的比体积相同，不稳定性也就不会再出现了。

图4-39　压力对水动力特性的影响

除了系统的压力以外，通道进口处水的欠热度也会影响水动力特性的稳定性。通常欠热度对动力特性的影响有一个确定的界限值。在界限值以下时，减小水的欠热度，可使流动趋于稳定，如图4-40所示。当欠热度为零时，压降Δpt便与质量流率的平方（即W2）成正比，这时对应于每一压降有两个W，一个为正值，另一个为负值，但实际上对应于一个压降只有一个流量，故不会发生流动不稳定。大于此界限值，减小进口过冷度会增加沸腾段的长度，结果反而使流动的稳定性降低。可见当欠热度大于界限值时，只有增加通道进口的过冷度，才会提高流动的稳定性。

图4-40　欠热度对水动力特性的影响