CN110058048A - 窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，包括由加热板和可视化PC耐力板构成1‑3mm的窄矩形通道、缓冲腔室、固定窄矩形通道的上、中、下三个承压板、激光入射窗、分光镜、滤光片、激光器、高速相机、同步器和采集***等，通过硅胶在窄矩形通道不同位置设置不同尺寸和形状的阻塞物，来模拟反应堆内阻塞工况。采用粒子图像测速(PIV)技术和激光诱导荧光(LIF)技术对流场和温场开展测量，为便于激光照射，在中承压板两侧设有三个激光入射窗，利用同步器控制两个高速相机，在分光镜和滤光片的作用下，将可视化段分成三个区域进行流场与温场的同步拍摄，并由采集***实时记录流场与温场的实验数据。该方法简单可行，成本低，可研究工况范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，尤其涉及一种窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，应用于不同流动工况下窄通道内流场与温场分布的特性研究，主要涉及到流体力学、传热学、核安全等工程技术领域。
背景技术
板状燃料元件由于其组件结构紧凑、燃料芯体温度低、燃耗高和换热效率高等优势，广泛应用于动力堆和高通量研究堆中。板状堆芯冷却剂通道为狭窄的矩形通道，且通常为闭式通道，各通道间互不连通。在某些事故工况下，如板状元件的辐照肿胀、堆芯材料碎片或异物随冷却剂循环流入堆芯的意外情况，冷却剂通道阻塞事故就成为一种可信事故。该事故将引起窄缝通道内的速度场和温度场分布畸变，导致燃料板失冷，板温升高，局部蒸干，甚至烧毁，威胁包壳的完整性，造成严重事故后果，对反应堆的运行带来安全隐患。因此，深入研究板状燃料元件反应堆在发生通道阻塞事故时的热工水力特性和安全性，对反应堆的设计建造和安全运行有重要意义。
窄矩形通道阻塞工况下流场和温场的分布不仅与窄通道的尺寸、质量流速、热流密度有关，还与堵塞的位置和阻塞率等因素相关。目前，分析方式多采用自编程序和三维仿真软件，但其结果需要准确的实验数据进行验证，因此有必要设计一种用于同步测量窄矩形通道阻塞工况下流场和温场分布的实验***。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，是一种结构简单、价格低廉，可全场、实时、无干扰、同步测量窄矩形通道在阻塞条件下流场和温场分布的实验***。
本发明的目的是这样实现的：包括下承压板、中承压板、上承压板、加热板、PC耐力板、缓冲腔室，下承压板上设置有热电偶导入孔，加热板位于下承压板上，PC耐力板设置在加热板上，所述缓冲腔室有两个分别设置在加热板上且位于PC耐力板的上下两端，PC耐力板与加热板相对的表面上设置有窄矩形通道，中承压板的设置在PC耐力板上且中承压板的上端面与PC耐力板的上端面位于同一水平面，中承压板下端设置三个激光入射窗，上承压板设置在中承压板上方，两个缓冲腔室上分别设有一个压差计接口和压力计接口，在加热板上设置有两个铜板、一个进水管、一个出水管，且两个铜板、一个进水管、一个出水管分别穿过下承压板位于下承压板外。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.在窄矩形通道内设置有阻塞物。
2.加热板和PC耐力板之间设置有密封圈；加热板和下承压板之间设置有云母纸。
3.PC耐力板和缓冲腔室采用阶梯粘连的连接方式；
上、中、下承压板通过大螺栓将加热板和PC耐力板进行固定和压紧密封，上承压板通过小螺栓对PC耐力板局部位置进行密封微调。
4.还包括分光镜、滤光片、激光器、两个相机、同步器和采集***，分光镜位于窄矩形通道的正前方，滤光片、相机设置在分光镜的一侧，另一个相机设置在分光镜的另一侧，同步器一端连接两个相机、另一端连接采集***，所述激光器位于激光入射窗一侧。
5.进水管与出水管之间的距离大于两个加热铜板之间的距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明利用64个小螺栓微调密封，在保证密封性的同时，不影响激光片光的照射，充分增加了实验段的可视化段长度，能较好的观测流体运动的全场情况。2)本发明的可视化段采用PC耐力板作为窄矩形通道的承压边界，PC耐力板具有一定的耐高温和耐压能力，克服了传统亚克力板遇高温变形、冷却变模糊的缺点。3)本发明采用激光诱导荧光(LIF)技术，相对传统壁面热电偶测温手段，该方法可直接测量流体的全场温度，通过软件处理数据后，获取的温度数据点更准确、全面、直观。4)本发明采用连续激光发生器和高速相机，可以连续捕获流体内部流场和温场数据，保证在时序上的连续性。5)本发明采用激光诊断技术获取燃料组件内多物理场行为，通过同步器保证两台高速相机的同步性，利用分光镜和滤光片的特性，实现多物理场的全场、实时、无干扰、同步测量。
附图说明
图1为实验段俯视剖视图；
图2为实验段前视图；
图3为实验段左视图的局部剖视图；
图4为多物理场同步测量***示意图；
图5为本发明的下承压板的结构示意图；
图6a-图6d分别是本发明的PC耐力板的俯视图、PC耐力板与缓冲腔室结构图、加热板结构图、PC耐力板与缓冲腔室和加热板装配图；
图7a和图7b分别是中承压板的侧视图和立体图；
图中：加热板1、PC耐力板2、缓冲腔室3、密封圈4、下承压板5、中承压板6、上承压板7、大螺栓8、小螺栓9、压差计接口10、压力计接口11、云母纸12、铜板13、进水口14、出水口15、窄矩形通道16、激光入射窗17，以及热电偶导入孔、电源、分光镜、滤光片、高速相机、激光器、同步器和采集***。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供一种窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，图1和图2展示了实验本体的结构组成，本发明包括加热板1、PC耐力板2、缓冲腔室3、密封圈4、下承压板5、中承压板6、上承压板7、大螺栓8、小螺栓9、压差计接口10、压力计接口11、云母纸12、铜板13、进水管14、出水管15、窄矩形通道16、激光入射窗17、热电偶导入孔、电源、分光镜、滤光片、激光器、高速相机、同步器和采集***。所述加热板1上设置有铜板13、进水管14和出水管15；所述铜板13为矩形状的长方体；所述进水管14、出水管15与铜板13设置在加热板1的同一侧，关于加热板中心对称，进出水管间距大于两个铜板间距。所述PC耐力板2位于加热板1上方，构成1-3mm的窄矩形通道16，充当流动工质承压边界的同时，保证实验装置整体可视化效果；所述缓冲腔室3位于窄矩形通道16的进出口处，缓冲腔室3上各设有一个压差计接口10和压力计接口11，用于监测实验段内流体压力的变化。所述密封圈4位于加热板1和PC耐力板2之间；所述云母纸12位于加热板1和下承压板5之间；所述中承压板6上设置三个长度相等的矩形作为激光入射窗17；所述下承压板5上设有热电偶导入孔，用于测温实验中温度的标定。所述滤光片位于分光镜和高速相机之间，所述同步器位于相机和采集***之间，所述激光器位于激光入射窗一侧。
大螺栓8通过上中下承压板将加热板1和PC耐力板2进行固定和压紧密封，小螺栓9通过上承压板对PC耐力板局部位置进行密封微调；PC耐力板2和缓冲腔室3采用阶梯粘连的连接方式，以保证窄矩形通道的强度和密封性。在窄矩形通道16内设置不同尺寸和形状的阻塞物，用以模拟反应堆窄矩形通道内不同位置、不同阻塞率的实验工况。激光入射窗17将窄矩形通道分为三个可视化部分，用于实验中激光片光的照射，激光光源采用532nm的连续激光发生器，滤光片采用532nm的窄通滤光片。所述激光通过激光入射窗照射本体后，光束通过分光镜，经两台高速相机同时拍摄后，由采集***实时采集流场与温场数据；同步器分别连接两个高速相机和采集***，用于保证流场与温场的同步测量。
如图5和6a，加热板1与两个铜牌13通过锡焊连接，加热板1与进水管14、出水管15通过焊接相连；下承压板5上设有铜牌孔、进出水管孔和15个热电偶孔，便于加热板1嵌入到下承压板5中；PC耐力板上形成1-3mm的窄矩形通道，由附图6b和6c：将PC耐力板2和缓冲腔室3放到加热板1的表面，充当窄矩形通道的物理边界和承压边界，结合图7a和图7b，将窄矩形通道嵌入到中承压板中；中承压板6上设有上中下三个激光入射窗17，将窄矩形通道分成三个可视化区域，用于实验中激光的照射。
本发明的窄矩形通道16由加热板1、可视化PC耐力板2和密封圈4通过螺栓8、9压紧密封构成。结合入口段效应，在窄矩形通道16进出口处设有缓冲腔室3，缓冲腔室3与PC耐力板2采取阶梯粘连的密封方式。进水管14和出水管15焊接在加热板上，位于缓冲腔室下方。同时，为了监测实验工质的压力和压差变化，在缓冲腔室上表面各设有一个压差计接口10和压力计接口11。
在1-3mm窄矩形通道16不同位置处，通过强力黏胶将不同形状和大小的硅胶粘在通道内部，充分模拟反应堆内不同的阻塞工况。同时，在中承压板6两侧设有三个较长的矩形作为激光入射窗17，在保证密封性的同时，充分将工质流动通道展露出来，用于激光片光的照射，以获取工质沿流动方向的全场数据。
窄矩形通道16采用直流电源对加热板1通电加热模拟燃料元件产热，加热板1与铜板13通过焊接的方式连接，铜板13通过铜导线与电源相连，铜导线表面缠绕一层绝缘防护胶套。为了充分控制加热功率的电损失及保证实验过程的安全性，在加热板1和下承压板5之间设有一层云母纸12，同时，实验段本体与其他管道的连接均通过绝缘套筒和绝缘垫片做好绝缘措施。
图3展示了实验段流场与温场同步测量的光路图。实验前，通过高精度水平仪对激光和高速相机进行调节，保证高速相机与拍摄面(激光照射面)垂直，防止光路畸变带来的测量误差。在循环工质中加入示踪物质(示踪粒子与荧光剂)，在激光片光照射下，窄通道内的示踪粒子会反射532nm的激光，荧光剂会激发出不同于532nm波长的荧光，通过同步器控制两个相机，在分光镜和滤光片的作用下，相机可在互不干扰的情况下同步获得粒子运动和荧光信息，实现对板型燃料元件窄矩形通道内多物理场的全场、实时、同步测量。
同时，在下承压板5的中轴线上均匀设置15个热电偶导入孔，15个铠装热电偶通过导入孔焊接在加热板上，用于测温实验中流体温度的标定。
综上所述，本发明提供了一种窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***：包括由加热板和可视化PC耐力板构成1-3mm的窄矩形通道、缓冲腔室、固定窄矩形通道的上、中、下三个承压板、激光入射窗、分光镜、滤光片、激光器、高速相机、同步器和采集***等，通过硅胶在窄矩形通道不同位置设置不同尺寸和形状的阻塞物，来模拟反应堆内阻塞工况。采用粒子图像测速(PIV)技术和激光诱导荧光(LIF)技术对流场和温场开展测量，为便于激光照射，在中承压板两侧设有三个激光入射窗，利用同步器控制两个高速相机，在分光镜和滤光片的作用下，将可视化段分成三个区域进行流场与温场的同步拍摄，并由采集***实时记录流场与温场的实验数据。窄矩形通道采用单面加热，一侧采用喷涂不锈钢板，与电源相连，一侧采用PC耐力板满足可视化需求；在窄矩形通道内设置不同尺寸和形状的阻塞物来模拟反应堆内阻塞条件；通过小螺栓的密封微调，充分展露整个流道实现流体全场的测量；运用粒子图像测速(PIV)技术和激光诱导荧光(LIF)技术，使用分光镜、滤光片、同步器和采集***，实现不同工况下流场与温场的全场、同步、实时、无干扰的可视化测量。本装置结构简单，价格低廉，数据采集准确方便，研究工况范围广。
Claims (10)
1.窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：包括下承压板、中承压板、上承压板、加热板、PC耐力板、缓冲腔室，下承压板上设置有热电偶导入孔，加热板位于下承压板上，PC耐力板设置在加热板上，所述缓冲腔室有两个分别设置在加热板上且位于PC耐力板的上下两端，PC耐力板与加热板相对的表面上设置有窄矩形通道，中承压板设置在PC耐力板上且中承压板的上端面与PC耐力板的上端面位于同一水平面，中承压板侧面设置三个激光入射窗，上承压板设置在中承压板上方，两个缓冲腔室上分别设有一个压差计接口和压力计接口，在加热板上设置有两个铜板、一个进水管、一个出水管，且两个铜板、一个进水管、一个出水管分别穿过下承压板位于下承压板外。
2.根据权利要求1所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：在窄矩形通道内设置有阻塞物。
3.根据权利要求1或2所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：加热板和PC耐力板之间设置有密封圈；加热板和下承压板之间设置有云母纸。
4.根据权利要求3所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：PC耐力板和缓冲腔室采用阶梯粘连的连接方式。
5.根据权利要求1或2所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：还包括分光镜、滤光片、激光器、两个相机、同步器和采集***，分光镜位于窄矩形通道的正前方，滤光片、相机设置在分光镜的一侧，另一个相机设置在分光镜的另一侧，同步器一端连接两个相机、另一端连接采集***，所述激光器位于激光入射窗一侧。
6.根据权利要求3所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：还包括分光镜、滤光片、激光器、两个相机、同步器和采集***，分光镜位于窄矩形通道的正前方，滤光片、相机设置在分光镜的一侧，另一个相机设置在分光镜的另一侧，同步器一端连接两个相机、另一端连接采集***，所述激光器位于激光入射窗一侧。
7.根据权利要求4所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：还包括分光镜、滤光片、激光器、两个相机、同步器和采集***，分光镜位于窄矩形通道的正前方，滤光片、相机设置在分光镜的一侧，另一个相机设置在分光镜的另一侧，同步器一端连接两个相机、另一端连接采集***，所述激光器位于激光入射窗一侧。
8.根据权利要求5所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：进水管与出水管之间的距离大于两个加热铜板之间的距离。
9.根据权利要求6所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：进水管与出水管之间的距离大于两个加热铜板之间的距离。
10.根据权利要求7所述的窄矩形通道阻塞条件下流场—温场同步测量***，其特征在于：进水管与出水管之间的距离大于两个加热铜板之间的距离。
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