CN102654513A - 高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法 - Google Patents

Abstract

高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，所采用的设备包括：自主研制的超声波传感器(1)：前端为50～100mm声波导管，后端为通惰性冷却气体的保护腔，以Bi₄Ti₃O₁₂等铋基陶瓷结构材料为产生超声波的压电材料，发射10MHz～50MHz的高频超声波。方法具体如下：超声波传感器(1)安装在处于均匀强磁场条件下的管道上，发射和接收脉冲超声波；基于超声多普勒效应，超声波多普勒测速仪(2)对带有流动速度信息的超声波回声信号进行处理分析后得到边界层速度分布并显示于计算机(3)。本发明适用于高温强磁场下液态金属边界层速度场分布的测量，对研究液态金属磁流体动力学流动过程中传热或传质效果和压降分布具有重要作用。

Description

高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法

技术领域

本发明属于能源、材料工程领域，具体涉及高温强磁场条件下液态金属边界层速度分布的测量方法， 

背景技术

高温强磁场条件下液态金属边界层速度分布的测量方法，可以对230℃以上的非透明液态金属流动速度进行测量，该方法最大测量温度可达到800℃，最优空间分辨率约0.125mm，适用于对流动边界层的测量。由于是采用非侵入式测量方法，不会对流场造成干扰，可获取精确实时的速度分布。 

现行的速度测量方法，对于透明流体有：激光多普勒测速仪，粒子图像测速仪，纹影法测速，干涉法测速等。高温液态金属(如聚变堆液态金属锂铅作为增殖剂和冷却剂，四代裂变堆液态铅铋、钠等作为冷却剂)是非透明流体，且特定条件(如聚变堆强磁场)的限制，采用以上方法显然是不可行的。而常用的热线/热膜法，电势探针法，光学探针法等由于结构尺寸以及接触式测量的特点，使得它们在高温度强磁场液态金属流动测量中受限。而且对于高温液态金属，还要考虑测量过程中设备要承受高温腐蚀、化学腐蚀、杂质沉积及浸润性等要求，因此很难通过改进以上方法来对高温强磁场条件下液态金属边界层速度分布进行无干扰、高精度的测量。 

超声波多普勒测速，最早追溯到30多年前医学上的应用。医用B超的图像显示效果，使得人体内声阻特性不同的物质得到显示，因此，根据相似原理可以对非透明流体中被测流体与示踪粒子之间声阻特性的不同来得到示踪粒子的运动信息，并以此来体现流体的速度情况。1970年脉冲多普勒理论最初是被Wells和Baker应用到医学领域，测量人体血管中的速度情况。Takeda随后将该方法拓展到了非医学领域，并开发了一套监测系统用来显示一般流体流动的速度剖面。该测量理论本身在流动测量方面是非常有用的，经历了多年的实践，被应用于测量物理和工程中流体流动的测量。近年来，Takeda(1995)，Brito(2001)，Eckert(2002)，Alfonsi(2003)，Kikura(1999，2004)，Aidun(2005)应用该方法进行了流体流动的测量研究。根据超声波理论可以实现对非透明流体预定深度的精确测速，从而凸显出其优于其它测量方法的特点。 

德国专利申请DE102007027391B3、DE102007027392B3，美国专利申US20100218608、US20100218617国际专利申请WO2008152031A2，发明名称：ULTRASONIC SENSOR FOR MEASURING FLOW RATES IN LIQUID MELTS，申请人：Seven Eckert，Gunter Gerbeth，Thomas Gundrum，公开了一种适用于测量液态金属速度的超声波传感器。该传感器主要解决超声波在进入液态金属的过程中能量衰减问题，使高温介质环境与产生超声波的压电材料以及相关电子元件相互远离，从而实现对高温液态金属的测量。此类超声波传感器附有100mm～800mm的波导管，而为了减小磁场的衰减强磁场的磁极间距往往相对很小，在应用中受到尺寸结构的限制。同时，此类超声传感器发射的超声波频率有限，很难得到更高的空间分辨率，从而不能实现厚度非常小的高温液态金属流动边界层中速度分布的测量。 

瑞士信号处理公司(signal-processing)，仪器名称：Ultrasonic Doppler Velocimetry，可以对采集到的信号进行处理、显示、分析，同时配备各种频率的探头和数据分析系统，使得分辨率可以在10^-1mm量级。但是这些探头都是普通的压电传感器，受到高温，腐蚀等限制，短时间可适用的最大温度只能达到230℃，长时间可适用的最大温度为150℃。 

中科院合肥物质科学研究院建造的DRAGON-IV液态锂铅回路是目前国际上独有的多功能强迫对流锂铅实验回路，能够同时提供多种复杂物理场实验环境(高温、强磁场、高流速等)，且具有后续更新升级的潜力。其中MHD实验，磁场大小2±0.3T，运行温度300-350℃，流速约1m/s，哈德曼数约10³，雷诺数约10⁴。如此高的哈德曼数意味着MHD流动效应引起的侧边界层厚度非常小，且雷诺数非常大，具有准二维湍流特性，同时受测量空间的影响，其它方法无法测量准确的速度分布。 

本发明高温强磁场条件下液态金属边界层速度分布的测量方法就是针DRAGON-IV实验平台MHD(磁流体动力学效应)流动与传热实验段而设立的实验测量方案，针对该实验段的边界层进行测量，从而认识MHD流动的本质，对液态金属MHD流动过程中提高传热或传质效果和降低MHD压降具有重要作用。另外，由于液态金属流动对堆结构材料(如聚变堆结构低活化钢)的腐蚀是影响堆服役寿命的关键因素之一，而液态金属速度分布又是影响腐蚀率的重要因素，因此对液态金属流动速度分布的精确测量，是获取液态金属对结构材料腐蚀率的重要保证。 

本发明前期已经建设了液态铅铋热对流回路，近期还将建设系列高温液态铅铋强迫对流回路，用于演示加速器驱动液态铅铋冷却快中子嬗变堆技术，并作为综合实验平台获取液态金属铅铋对结构材料腐蚀率、热工水力学规律等，本发明对液态铅铋流动速度及其分布进行准确测量，是设计与建造该反应堆的关键技术。 

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，基于超声波多普勒效应，通过研制超声波传感器，解决被测液态金属的高温问题等，发射10MHz～50MHz的超声波精确测量0～5mm深度范围内的流动，得到高温强磁场条件下液态金属边界层速度分布情况。 

本发明的技术解决方案：高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，实现步骤如下：本发明以超声多普勒效应为基础的，高温液态金属中示踪粒子随流体流动，发射的超声波与示踪粒子的运动存在多普勒效应，示踪粒子的速度修正为： 

$v=-\frac{f_D\·c}{2f_e\cos \mathrm{\θ}}$

其中，c是超声波在介质中的传播速度，v是高温液态金属中示踪粒子的运动速度，f_e是超声波发射频率，f_D是频移，θ是多普勒角度。 

研制适用于高温强磁场下的超声波传感器，所述超声波传感器包括压电材料、声波导管、前壁和冷却系统，所述冷却系统包括冷却气出口、保护腔、电子元件系统和冷却气入口；声波导管是由长度50-100mm的不锈钢材料制成，上端位于保护腔内与压电材料连接，下端与前壁连接；用以减小超声波在传播过程中的能量损失。产生超声波的压电材料处于通冷却气体的保护腔中，用以发射和接收高频超声波。电子元件系统位于保护腔内，连接压电材料与外部处理系统(超声多普勒测速仪)，在工作时负责触发压电材料产生超声波，同时将携带流动信息的电信号传输到外部处理系统。超声波传感器的冷却系统由冷却气入口、保护腔、冷却气出口以及相关的外部电气设备组成。保护腔与声波导管呈圆柱形。传感器工作时，从位于保护腔壁上的冷却气入口Ⅴ通入低温惰性气体氦气，带走保护腔内的热量，并从位于保护腔对角方向壁面上的冷却气出口排出；同时，在形成强磁场的磁极周围另设通风冷却，保证电子元件系统工作环境的温度稳定在150℃以内，实现对230℃～800℃高温液态金属流动边界层速度分布的测量。前壁位于传感器最前端，工作时与被测液态金属直接接触；前壁是由与液态金属浸润性较好的镍基材料加工而成，用以降低超声波在此处因反射和吸收而造成的能量损失。 

边界层速度分布测量的具体测量步骤如下： 

1)将超声波传感器的一端呈30-80°角倾斜安装于有大于230℃的高温液态金属流经的管道壁上并密封，所述有高温液态金属流经的管道处于均匀强磁场(～2T)环境中。测量前启动超声传感器的冷却设备。 

2)运行高温液态金属回路设备，使液态金属在管道中流动起来。液态金属流过均匀强磁场区域，超声传感器接收超声多普勒测速仪的触发信号并发射脉冲超声波，所述脉冲超声波在高温液态金属中传播，遇到高温液态金属中的示踪粒子(指的是高温液态金属氧化物杂质)发生反射或散射，超声波传感器接收到反射或散射带有流动速度信息的超声波回声信号，传送到超声波多普勒测速仪进行处理分析；处理分析后获得的初步高温液态金属速度分布图像显示于计算机(3)的显示屏上。 

3)根据测得的初步结果，调节计算机中存储的初始多普勒角度、脉冲周期、回声增益等参数，直到得到稳定的高温液态金属流动边界层速度分布图像。 

研制出的超声传感器产生超声波的压电材料采用Bi₄Ti₃O₁₂等铋基陶瓷结构材料，发射10MHz-50MHz的高频超声波，对于最大流速1m/s的液态金属流动介质，最小可以测得深度5mm以内的速度分布情况。液态金属在强磁场条件下流动将产生磁流体动力学效应(MHD)，液态金属流动侧边界层厚度不足1mm，在高温条件下可测得6-8个速度分布点，这对研究MHD效应及其传热或传质具有重要作用，其中MHD效应侧边界层厚度计算公式： 

$h=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{Ha}}}\×l$

h为侧边界层厚度，Ha为哈德曼数，l为平行于磁场的边界长度。 

研制的超声波传感器后端设通有惰性冷却气体氦气的保护腔。惰性气体从圆柱型保护腔一侧下部充入，流经腔室将热量带走，从保护腔对称侧的上部流出。根据介质温度高低，调节惰性气体的流动速度，保持保护腔内温度稳定在150℃以内，实现对230℃-800℃高温液态金属的测量。 

本发明与现有技术相比有益效果为： 

(1)本发明采用频率为10MHz～50MHz的超声波进行测量，可获得精度约0.125mm的空间分辨率，适用于MHD流动厚度小于1mm的侧边界层测量中获得6-8个数据点。 

(2)本发明所采用自主研制的超声波传感器，在前端设长度50～100mm的由不锈钢材料制成的声波导管，其尺寸结构适用于在狭窄区间的磁场区间安装。产生超声波的压电材料采用居里温度点较高Bi₄Ti₃O₁₂等铋基陶瓷结构材料，同时超声波传感器后端设通有惰性冷却气体氦气的冷却装置，解决了测量中存在的高温限制。 

附图说明

图1为本发明中附有波导管的超声波传感器结构示意图； 

图2为本发明高温液态金属流动速度及边界层测量系统结构示意图； 

图3为本发明中超声多普勒测速仪专用软件的数据处理过程示意图； 

图4为本发明中强迫对流多功能锂铅实验回路DRAGON-Ⅳ中MHD实验段图; 

图5为本发明中高温液态金属流动边界层速度分布的图像。 

具体实施方式

本发明所述方法的实现是以自主研制的超声传感器为基本工具的。如图1所示，超声波传感器的结构为：包括压电材料Ⅳ、声波导管Ⅵ、前壁Ⅶ和冷却系统；冷却系统包括冷却气出口Ⅰ、保护腔Ⅱ、电子元件系统Ⅲ和冷却气入口Ⅴ；声波导管Ⅵ上端位于保护腔Ⅱ内并与压电材料Ⅳ连接，声波导管Ⅵ下端与前壁Ⅶ连接，用以减小超声波在传播过程中的能量损失；产生超声波的压电材料Ⅳ处于通冷却气体的保护腔Ⅱ中，用以发射和接收高频超声波；电子元件系统Ⅲ位于保护腔Ⅱ内，连接压电材料Ⅳ与外部的超声多普勒测速仪2，负责触发压电材料Ⅳ产生超声波，同时将携带流动信息的电信号传输到超声多普勒测速仪2；工作时，从位于保护腔Ⅱ壁上的冷却气入口Ⅴ通入低温惰性气体氦气，带走保护腔Ⅱ内的热量，并从位于保护腔Ⅱ对角方向壁面上的冷却气出口Ⅰ排出，同时在形成强磁场的磁极周围另设通风冷却，保证电子元件系统Ⅲ工作环境的温度稳定在150℃以内，实现对230℃-800℃高温液态金属流动边界层速度分布的测量；前壁Ⅶ位于超声波传感器1最前端，工作时与被测液态金属直接接触，用以降低超声波在此处因反射和吸收而造成的能量损失。 

在图1中的声波导管Ⅵ长度可在50mm-100mm之间，压电材料Ⅳ选用高居里温度点材料Bi₄Ti₃O₁₂等铋基陶瓷结构材料，发射10MHz-50MHz的高频超声波，对于最大流速1m/s的液态金属流动介质，最小可以测得深度5mm以内的速度分布情况；前壁Ⅶ是镍或其它浸润性较好的材料加工而成的；保护腔Ⅱ与声波导管Ⅵ呈圆柱形，声波导Ⅵ外径为20mm，材料为SS316L不锈钢。 

如图2所示，高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量系统包括：超声波传感器1、超声多普勒测速仪2、计算机3。超声多普勒测速仪2通过附有波导管的超声波传感器1发射超声波信号并接收带有速度信息的超声波回声信号，经过计算机3及专用软件进行数据处理得到速度分布。其数据处理过程如图3所示：主振荡器产生脉冲超声波，经过发射功率放大器放大，通过波导管传播到被测介质中。脉冲超声波与被测介质中示踪粒子发生反射或散射，被反射或散射回的脉冲超声波回声带有流动速度信息，将该回声模拟信号通过接收功率器放大后与主振荡器产生的原始脉冲超声波进行同步解调，经过低通滤波器滤波之后进行模数转换，转换得到的信号再由高通滤波器对其进行高通滤波，对此结果与低通滤波后的信号进行多普勒频偏估计，从而得到速度场分布信息。其 中4是强磁场磁体与实验段管道的截面图，如图4所示。图中，5是指有液态金属流经的管道。 

图4所示，MHD实验段管道为内径50mm的方管，进出口两端为内径32mm的圆管。主回路管道和MHD实验管道之间连接的是流体充分发展的准直段。液态金属从主管道过渡到MHD实验段时首先经过直流器A，然后流体会经过长约500mm的管道B，流体流进强磁场作用区域C，之后流入缓冲流道D，最终流出MHD实验段。磁体间距80mm，考虑到波导管和磁极间距，测量点选择在管壁的侧面(侧边界层)，测量侧边界层流动分布。 

如图2所示，将超声波传感器1的一端呈30-80°角(图2中的α)倾斜安装于高温液态金属管道壁上并密封，高温液态金属管道处于均匀强磁场环境中，磁场强度 

测量前，启动超声传感器1的冷却系统。运行高温液态金属回路设备，液态金属流过均匀强磁场区域，超声传感器1接收超声多普勒测速仪2的触发信号并发射脉冲超声波，所述脉冲超声波在高温液态金属传播，遇到高温液态金属中的示踪粒子(指的是高温液态金属氧化物杂质)发生反射或散射，超声波传感器1接收到反射或散射带有流动速度信息的超声波回声信号，传送到超声波多普勒测速仪2进行处理分析；并将处理分析后获得的初步高温液态金属流动速度分布图像显示于计算机3显示屏上。根据测得的初步结果，调节计算机3中存储的初始多普勒角度、脉冲周期、回声增益等参数，直到得到稳定的高温液态金属流动边界层速度分布图像。 

通过本发明所述的基本步骤完成了对高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量，实验数据处理采用瑞士信号处理公司提供的超声波多普勒测速仪所属专用软件，获得的速度分布以图片形式记录在计算机硬盘中。其中，高温液态金属流动边界层速度分布的图像如图5所示。在强磁场条件下出现磁流体动力学效应(MHD)，在小于1mm的边界层内速度分布变化非常大，亦即在边界层内产生射流，流速分布图像成M型。 

Claims (5)

1.高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)研制适用于高温强磁场下的超声波传感器(1)；所述超声波传感器(1)包括压电材料(Ⅳ)、声波导管(Ⅵ)、前壁(Ⅶ)和冷却系统，所述冷却系统包括冷却气出口(Ⅰ)、保护腔(Ⅱ)、电子元件系统(Ⅲ)和冷却气入口(Ⅴ)；声波导管(Ⅵ)上端位于保护腔(Ⅱ)内并与压电材料(Ⅳ)连接，声波导管(Ⅵ)下端与前壁(Ⅶ)连接，用以减小超声波在传播过程中的能量损失；产生超声波的压电材料(Ⅳ)处于通冷却气体的保护腔(Ⅱ)中，用以发射和接收高频超声波；电子元件系统(Ⅲ)位于保护腔(Ⅱ)内，连接压电材料(Ⅳ)与外部的超声多普勒测速仪(2)，负责触发压电材料(Ⅳ)产生超声波，同时将携带流动信息的电信号传输到超声多普勒测速仪(2)；工作时，从位于保护腔(Ⅱ)壁上的冷却气入口(Ⅴ)通入低温惰性气体氦气，带走保护腔(Ⅱ)内的热量，并从位于保护腔(Ⅱ)对角方向壁面上的冷却气出口(Ⅰ)排出，同时在形成强磁场的磁极周围另设通风冷却，保证电子元件系统(Ⅲ)工作环境的温度稳定在150℃以内，实现对230℃-800℃高温液态金属流动边界层速度分布的测量；前壁(Ⅶ)位于超声波传感器(1)最前端，工作时与被测液态金属直接接触，用以降低超声波在此处因反射和吸收而造成的能量损失；

(2)将适用于高温强磁场下的超声波传感器(1)的一端呈30-80°角倾斜安装于高温液态金属流经的管道(5)壁上并密封，所述有高温液态金属流经的管道(5)处于均匀强磁场环境中，测量前启动超声传感器(1)的冷却系统；

(3)运行高温液态金属回路设备，使液态金属在管道中流动起来，液态金属流过均匀强磁场区域，适用于高温强磁场下的超声传感器(1)接收超声多普勒测速仪(2)的触发信号并发射脉冲超声波；所述脉冲超声波在高温液态金属中传播，遇到高温液态金属中的示踪粒子即指高温液态金属氧化物杂质，发生反射或散射，适用于高温强磁场下的超声波传感器(1)接收到反射或散射带有速度信息的超声波回声信号，传送到超声波多普勒测速仪(2)进行处理分析，处理分析后获得的初步高温液态金属速度分布图像显示于计算机(3)的显示屏上；

(4)根据测得的初步结果，调节计算机(3)中存储的初始多普勒角度、脉冲周期、回声增益参数，直到得到稳定的高温液态金属流动边界层速度分布图像。

2.根据权利要求1所述的高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，其特征在于：所述声波导管(Ⅵ)由长度50-100mm的不锈钢材料制成。

3.根据权利要求1所述的高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，其特征在于：所述压电材料(Ⅳ)采用Bi₄Ti₃O₁₂铋基陶瓷结构材料，发射10MHz-50MHz的高频超声波，对于最大流速1m/s的液态金属流动介质，最小可以测得深度5mm以内的速度分布情况。

4.根据权利要求1所述的高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，其特征在于：所述保护腔(Ⅱ)与声波导管(Ⅵ)呈圆柱形。

5.根据权利要求1所述的高温强磁场下液态金属边界层速度分布的测量方法，其特征在于：所述前壁(Ⅶ)由镍基材料加工而成。

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