CN102313641A - 用于单相和两相立体可视化矩形窄缝实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种用于单相和两相汽泡行为与流型研究的模拟装置，该装置包括导热铜板、可视窗、电加热元件、底部承压体、测压组件等部件。导热铜板与可视窗上的矩形窄缝凹形流道组成矩形窄缝封闭流道，形成用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置。该装置可从宽面和窄面立体可视化观察矩形窄缝通道内单相流态、汽泡立体形态和流型转变等演化规律，为深入揭示窄小通道内流动和传热机理提供了条件保障。

Description

用于单相和两相立体可视化矩形窄缝实验装置

技术领域

本发明属于一种用于单相和两相汽泡行为与流型研究的模拟装置，具体是一种用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置。该装置能够满足矩形窄缝通道内单相流态、两相汽泡行为与流型的立体可视化研究。

背景技术

矩形窄缝结构广泛应用在核反应堆、航空航天和电子行业中的冷却系统。在核反应堆中，板型燃料元件堆芯冷却剂通道为窄缝型矩形通道，板型燃料元件因其具有燃耗高、比功率大等特点而被一些推进动力堆、研究堆等小体积、高输出功率密度的堆型所采用，其冷却剂通道就是一种典型的扁平矩形窄缝通道(间隙为1～3mm)。

窄缝通道结构的广泛应用，促使沸腾传热研究向更加深入和细致的方向发展。对于窄缝通道内单相和两相沸腾传热机理及其影响因素，仍然存在众多未知的疑问和新现象。以宏观特性为核心的传统理论难以揭示单相和两相中新的现象和物理机制，而窄缝内流场、汽泡核化及动力学、流型转变等微细观现象的可视化研究，有助于揭示窄缝内单相和两相沸腾传热机理。

目前，窄缝内单相和两相的可视化实验装置是单面的，即在不锈钢承压体上加工矩形窄缝流道，并将电加热元件嵌入到云母板内，保证承压体和电加热元件绝缘，然后将石英玻璃平板盖在矩形窄缝流道宽面上，通过压紧块将○形圈压紧密封，形成单面直接加热可视化实验装置。该种装置为直接加热，需要考虑电加热元件与实验装置的绝缘问题，导致实验装置设计和制作非常复杂，并且由于无法实现加热元件与云母板之间的密封，使得加热板底部有未流动的工作介质存在，热流密度增大后，容易导致从加热板底部冒出大汽泡，进而直接影响了窄缝通道内流动特征。同时，上述类型的实验装置只能从一面可视化观察单相流态转捩、汽泡和流型转变特性，获得二维分布规律，不能获得汽泡立体形态、流型与矩形窄缝间隙之间的关系，以及其与液相和壁面的相互作用关系。而这些微观信息的研究对于分析窄小流道尺度，探析窄缝通道内相变传递机理具有重要的意义。

经检索，用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于矩形窄缝通道内单相和两相的立体可视化实验研究，以便从窄面获得汽泡、流型与矩形窄缝间隙之间的关系，以及其与液相和壁面的相互作用关系的单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置。

本发明的技术方案如下：

一种用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置，包括电加热元件、底部承压体，其特征在于：所述立体可视化研究的矩形窄缝实验装置还具有的导热铜板、可视窗和热电偶测孔；电加热元件为方形铠装；导热铜板的背面加工有方形刻槽，铠装电加热元件嵌入方形槽内，通过紧固板将电加热元件压紧，一起放入底部承压体内；测压组件、进口流体管组件和出口流体管组件通过螺纹与底部承压体连接；导热铜板的正面刻有○形密封槽，槽内填充○形密封圈；热电偶测孔设置在导热铜板的一个侧面；刻有矩形窄缝凹形流道的可视窗嵌在压紧块内，通过固定螺栓将压紧块与底部承压体连接；导热铜板的正面与可视窗上的矩形窄缝凹形流道组成矩形窄缝封闭流道。

其附加特征在于：

所述的可视窗上的矩形窄缝凹形流道的窄缝间隙为1～3mm。

所述的热电偶测孔具有12对，设置在导热铜板的一个侧面。

所述的导热铜板为黄铜，其流道面粗糙度达到镜面板以上；可视窗的透光率达95％以上。

本发明效果在于：本发明实验装置的矩形窄缝凹形流道加工在可视窗上，可视窗三面精密抛光，透光率达到95％以上，保证从宽面和窄面立体可视化，获得汽泡、流型与壁面的直观信息；电加热元件为方形铠装结构，使电加热元件外表面的绝缘不需要考虑与实验装置的绝缘问题，而且还有利于导热铜板上热流密度的均匀分布；可视窗与导热铜板通过○形圈直接密封，确保了实验装置密封问题；在导热铜板的横截面上设有12对热电偶，通过温度差值两点法获得有效热流密度，解决了两相可视化研究中有效热量计算难题。压紧块和底部承压体采用保温材料聚四氟乙烯，减小了热量损失。采用本实验装置，对矩形窄缝通道内单相流场和两相汽泡行为与流型进行立体可视化研究，丰富和完善了窄缝通道内微细观传递机理，对于深入揭示窄小通道内流动和传热机理具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A截面示意图。

图中：1.导热铜板；2.电加热元件；3.紧固板；4.底部承压体；5.测压组件；6.进口流体管组件；7.固定螺栓；8.○形密封圈；9.○形密封槽；10.可视窗；11.压紧块；12.出口流体管组件；13.热电偶测孔；14.矩形窄缝凹形流道。

具体实施方式

本发明的用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置的结构如图1所示，由导热铜板1，电加热元件2、紧固板3、底部承压体4、测压组件5、进口流体管组件6、固定螺栓7、○形密封圈8、○形密封圈槽9、可视窗10、压紧块11、出口流体管组件12、热电偶测孔13和矩形窄缝凹形流道14组成。

导热铜板1为黄铜，正面为沸腾面，其粗糙度达到镜面板以上；正面刻有○形密封槽9，槽内填有○形密封圈8。导热铜板1的一个侧面设有12对热电偶测孔，以测量导热铜板1的温度，并通过温度差值两点法获得检测壁面有效热流密度；导热铜板1的背面加工有方形刻槽，铠装电加热元件2嵌入方形槽内，通过紧固板3将电加热元件2压紧，一起放入底部承压体4内。电加热元件2只在两端引出电源导线，其他外表面完全绝缘，可采用直流或交流电源加热。测压组件5、进口流体管组件6和出口流体管组件12通过螺纹与底部承压体4连接；可视窗10为光学石英玻璃材料，加工有矩形窄缝凹形槽道14，其窄缝间隙为1～3mm，全透明可视，并对其三面进行冷态抛光，保证透光率达到95％以上；可视窗10嵌在压紧块11内，通过固定螺栓7将压紧块11与底部承压体4连接；为了减少热量损失，底部承压体4和压紧块11采用保温材料聚四氟乙烯。导热铜板1的正面与可视窗10上的矩形窄缝凹形流道14组成矩形窄缝封闭流道，形成用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置。

实验装置工作时，工作介质从进口流体管组件6进入，通过导热铜板1和可视窗10组成的矩形窄缝闭式流道，最终工作介质从出口流体管组件12流出。在此过程中，采用的是间接加热方式，即先加热方形铠装电加热元件2，再通过导热铜板1将热量传递给工作介质，满足壁面过热度要求后，工作介质由单相流体转化为两相流体，即流道上产生汽泡，并逐渐随着热流密度的增加，演化为各种形态的流型，通过可视窗10，可从宽面和窄面直观获得矩形窄缝通道内汽液与壁面的信息，对矩形窄缝通道内单相流态和两相汽泡立体形态与流型转变等演化过程进行立体可视化研究。

Claims (4)

1.一种用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置，包括电加热元件(2)、底部承压体(4)，其特征在于：所述立体可视化研究的矩形窄缝实验装置还具有的导热铜板(1)、可视窗(10)和热电偶测孔(13)；电加热元件(2)为方形铠装；导热铜板(1)的背面加工有方形刻槽，铠装电加热元件(2)嵌入方形槽内，通过紧固板(3)将电加热元件(2)压紧，一起放入底部承压体(4)内；测压组件(5)、进口流体管组件(6)和出口流体管组件(12)通过螺纹与底部承压体(4)连接；导热铜板(1)的正面刻有○形密封槽(9)，槽内填充○形密封圈(8)；热电偶测孔(13)设置在导热铜板(1)的一个侧面；刻有矩形窄缝凹形流道(14)的可视窗(10)嵌在压紧块(11)内，通过固定螺栓(7)将压紧块(11)与底部承压体(4)连接；导热铜板(1)的正面与可视窗(10)上的矩形窄缝凹形流道(14)组成矩形窄缝封闭流道。

2.按照权利要求1所述的用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置，其特征在于：所述的可视窗(10)上的矩形窄缝凹形流道(14)的窄缝间隙为1～3mm。

3.按照权利要求1所述的用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置，其特征在于：所述的热电偶测孔(13)具有12对，设置在导热铜板(1)的一个侧面。

4.按照权利要求1所述的用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置，其特征在于：所述的导热铜板(1)为黄铜，其流道面粗糙度达到镜面板以上；可视窗(10)的透光率达95％以上。

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