CN103207211B - 一种液态金属两相流空泡率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态金属两相流空泡率测量装置及测量方法，它包括多传感器探针组，直流电源，数据收集及分析设备，在传感器间通入直流电，当传感器处在液态金属内部时，周围全为液态金属，发生短路；当传感器捕捉到气泡时候，传感器间电压发生改变。使用多传感器探针可以精确捕获气泡，分析气泡的尺寸；多个探针在空间构成探针组可测量流场内不同位置气泡的近似分布，从而推算出空泡率的数值。本发明所提供的装置通过使用电阻探针解决无法在液态金属中使用光学方法测量的缺陷；构建立体的探针测量设备及方法，改善电阻探针法测量液态金属的精确度。

Description

一种液态金属两相流空泡率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量液态金属两相流中空泡分布的接触式测量装置及测量方法，并根据测量得到的空泡直径、分布计算空泡率。

背景技术

铅基合金由于具有良好的增殖性、嬗变性而作为次临界驱动反应堆的热门冷却剂。当一回路换热器发生蒸汽管道破口事故后，二回路水与一回路高温液态铅基合金反应，产生的大量气泡改变了流场特性；气泡的存在还可能带来爆炸影响换热器的甚至反应堆堆芯的安全运行。因此，研究高温合金中气泡的直径、分布以及空泡率数值对于反应堆换热器设计及事故处理提供实验指导和理论依据。

测量两相流中空泡率的方法很多，比如超声波法、中子辐照法、X射线法等，且多仅适用于水/气两相流介质。液态金属两相流具有的密闭不透光、高电导率等特点，使得光学测量方法不可用。另外，中子辐照法以及X射线法，设备复杂，需要额外的设备获得气泡的分布率。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种能够快速方便的测量液态重金属中空泡率大小的液态金属两相流空泡率测量装置及测量方法。

本发明技术解决方案：一种液态金属两相流空泡率测量装置，包括：多个探针组成的探针组1、直流电源2、数据监控设备3；每个探针含有三个传感器，三个传感器呈等边三角形分布，用于定位、测量气泡直径，三个传感器分别与直流电源2和数据监控设备3连接；探针组1伸入到液态金属内部，直流电源2向探针组1提供稳定电压，数据监控设备3记录分析探针组1上电压值的改变。

所述三个传感器间的垂直距离为1～5mm，水平距离为0.3-0.8mm，这样有利于垂直方向上获得稳定可信的气泡上升速度，水平方向上减小探针间的彼此影响，并保证气泡被三个传感器顺次捕捉。

一种液态金属两相流空泡率测量方法，实现步骤如下：

第一步，直流电源2向探针组1供电，保证探针组1中传感器具有稳定电压；

第二步，正常状态下，探针组1上的传感器被短路，无电压差产生；当探针组1捕获到气泡时，产生电压波动，此波动信号会被数据监控设备3记录；

第三步，数据监控设备3根据得到的波动情况得到气泡被传感器捕获时间，并结合传感器间距离，计算出气泡直径；

某个探针（第i号）测得的气泡直径为：

$r_i=\sqrt{\frac{3{(L_3^2-L_2^2+L^2)}^2+{({2L}_1^2-L_2^2-L_3^2+L^2)}^2}{{48L}^2}+L_2^2}$

L₁=（t3-t1）*V,L₂=(t5-t2)*V,L₃=(t6-t4)*V,为气泡在三个传感器方向上的截距；V=h/(t2-t1),为气泡的上升速度；L为三个传感器间的水平距离，h为垂直距离；t1、t3,t2、t5，t4、t6分别是三个传感器捕捉和释放气泡的时刻；

第四步，根据探针组1在液态金属中的某一截面布局，并结合数据监控设备3得到的不同区域气泡直径，得到液态金属内的空泡率的大小，

空泡率 $a=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^2/R^2$

式中a为空泡率数值；

n为探针的数量；

r_i为第i号探针测得的气泡直径；

R为被测筒体的直径。

本发明的原理：采用电导探针组的方法，捕捉和测量气泡，得到气泡直径及分布，进而计算出液态金属中空泡率的数值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明采用的探针有三个感应器，呈等边三角形分布，连接在普通的直流电源上；探针在液态金属中成立体分布，当探针的末端浸入到液态金属中发生短路，此时输出电压为0；当探针与气泡接触后，电路恢复到正常接通，有电压信号产生；探针与气泡脱离接触后，输出电压经过短暂波动恢复。由于气泡的直径不同，传感器的位置不同，传感器与气泡的接触时间也不相同，因而产生电压波动的时间不同；分析电压信号的波动并结合传感器的位置，即可测量气泡的直径。

（2）本发明的多组探针按照需要分布在流场的不同位置，可重点关注测量某些区域的气泡分布，了解气泡在液态金属中的生长规律。

附图说明

图1为本发明测量装置的组成结构示意图;

图2为本发明测量数据分析示意图;

图3为本发明气泡与传感器相对位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，每个探针1上含有三个传感，传感器一端与直流电源2连接，一端接地，两者的电压差由信号收集设备3检测；当传感器没有捕捉到气泡时，电压差为0，当传感器捕捉到气泡时，电压值改变，此电压值改变时间由设备3收集。

探针上的传感器呈等边三角形分布，探针间距离为L，探针的顶端不在同一平面内，高度差分别为h；当气泡被传感器捕捉后，探针将产生阶跃电压，当气泡离开传感器时电压回复正常；三个传感器捕捉到的电压信号与时间关系如图2；

如图2所示，气泡在上升过程中的t1、t2、t4时刻分别被传感器1、2、3捕捉,在时间Δt1和Δt2内气泡经过的距离为均为h。

气泡上升的速率为：

$V_1=\frac{h}{\mathrm{\Δt}1},$ $V_2=\frac{h}{\mathrm{\Δt}2};$

由于传感器间的垂直距离较短，气泡在此距离内速度变化不大，可近似看成是匀速运动，即V≈V₁≈V₂，

由图2可以知道，气泡从进入到离开传感器1的时间为：ta=t3-t1，

故在传感器1垂直方向上的气泡的截距为L₁=ta*V；

同理，气泡接触传感器t2的时间为：tb=t5-t2，截距为L₂=tb*V；

气泡接触传感器t3的时间为：tc=t6-t4，截距为L₃=tc*V。

假设，气泡的为球型，某次探针捕捉到的气泡直径r_i，气泡中心与传感器1的水平距离为d₁；

可计算得知， 

$d_1=\frac{\sqrt{r_i^2-{L_1}^2}}{2};$

同理求得， 

$d_2=\frac{\sqrt{r_i^2-{L_2}^2}}{2},$ $d_3=\frac{\sqrt{r_i^2-{L_3}^2}}{2};$

如图3所示，气泡中心距离各传感器的水平距离为d₁、d₂、d₃；

根据解析几何可计算出d₁、d₂、d₃、L的关系式:

${(\frac{d_2^2-d_3^2}{2L}+\frac{L}{2})}^2+\frac{{(d_2^2+d_3^2-{2d}_1^2+L^2)}^2}{{12L}^2}=d_2^2;$

式中L已知，d₁、d₂、d₃均是r_i的函数，解出r_i的值为:

$r_i=\sqrt{\frac{3{(L_3^2-L_2^2+L^2)}^2+{({2L}_1^2-L_2^2-L_3^2+L^2)}^2}{{48L}^2}+L_2^2}$

即气泡的直径。

多个不同位置的探针形成立体网状结构，得到流场内不同位置的气泡分布。根据气泡的直径及分布，可得到液相中近似空泡率。

空泡率 $a=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^2/R^2$

式中a为空泡率数值；

n为探针的数量；

r_i为第i号探针测得的气泡直径；

R为被测筒体的直径。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种液态金属两相流空泡率测量装置，其特征在于采用电导探针组的方法，同时采用的探针有三个感应器，呈等边三角形分布，连接在普通的直流电源上，捕捉和测量气泡，得到气泡直径及分布，进而计算出液态金属中空泡率的数值，所述装置包括：多个探针组成的探针组(1)、直流电源(2)、数据监控设备(3)；每个探针含有三个传感器，三个传感器呈等边三角形分布，各传感器伸出探针的长度差一致，用于定位、测量气泡直径，三个传感器分别与直流电源(2)和数据监控设备(3)连接；探针组(1)伸入到液态金属内部，直流电源(2)向探针组(1)提供稳定电压，数据监控设备(3)记录分析探针组(1)上电压值的改变；探针在液态金属中呈立体分布，当探针的末端与浸入到液态金属中发生短路，此时输出电压为0；当探针与气泡接触后，电路恢复到正常接通，有电压信号产生；探针与气泡脱离接触后，输出电压经过短暂波动恢复；由于气泡的直径不同，传感器的位置不同，传感器与气泡的接触时间也不相同，因而产生电压波动的时间不同；分析电压信号的波动并结合传感器的位置，即可测量气泡的直径；

所述三个传感器间的水平距离为0.3-0.8mm，传感器顶端的垂直距离差1～5mm，这样有利于垂直方向上获得稳定可信的气泡上升速度，水平方向上减小探针间的彼此影响，并保证气泡被三个传感器顺次捕捉。

2.一种液态金属两相流空泡率测量方法，其特征在于：采用电导探针组的方法，同时采用的探针有三个感应器，呈等边三角形分布，连接在普通的直流电源上，捕捉和测量气泡，得到气泡直径及分布，进而计算出液态金属中空泡率的数值，具体实现步骤如下：

第一步，直流电源(2)向探针组(1)供电，保证探针组(1)中传感器具有稳定电压；

第二步，正常状态下，探针组(1)上的传感器被短路，无电压差产生；当探针组(1)捕获到气泡时，产生电压波动，此波动信号会被数据监控设备(3)记录；

第三步，数据监控设备(3)根据得到的波动情况得到气泡被传感器捕获时间，并结合传感器间距离，计算出气泡直径；

某个探针第i号测得的气泡直径为：

$r_i=\sqrt{\frac{3{(L_3^2-L_2^2+L^2)}^2+{(2L_1^2-L_2^2-L_3^2+L^2)}^2}{48L^2}+L_2^2}$

L₁＝(t3-t1)*V,L₂＝(t5-t2)*V,L₃＝(t6-t4)*V,为气泡在三个传感器方向上的截距；V＝h/(t2-t1),为气泡的上升速度；L为三个传感器间的水平距离，h为垂直距离；t1、t3,t2、t5，t4、t6分别是三个传感器捕捉和释放气泡的时刻；

第四步，根据探针组(1)在液态金属中的某一截面布局，并结合数据监控设备(3)得到的不同区域气泡直径，得到液态金属内的空泡率的大小，

空泡率 $a=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^2/R^2$

式中a为空泡率数值；

n为探针的数量；

r_i为第i号探针测得的气泡直径；

R为被测筒体的直径。