CN104681110A - 一种棒束通道全透明可视化实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力容器设备领域，具体公开了一种棒束通道全透明可视化实验装置，包括棒束通道本体（4）、设置在棒束通道本体（4）外用于卡紧棒束通道本体（4）的承压外壳（3），所述棒束通道本体（4）由透明材料制成，所述承压外壳（3）上在其四周开设有观察槽（31）。本发明的实验装置具有可承受一定内压、具有大尺寸可视窗口的棒束通道本体，实现了棒束通道全流场的可视化，解决了棒束通道可测量几何范围偏小、观察区域有限的问题；可用于进行棒束或管束的单相和两相可视化实验研究，能够实现全流场的速度场测量或两相流动过程的图形记录，能够为进一步开展棒束通道内的单相和两相流动以及局部现象的定量研究提供支持。

Description

一种棒束通道全透明可视化实验装置

技术领域

本发明涉及压力容器设备领域，具体地，涉及一种棒束通道全透明可视化实验装置。

背景技术

燃料组件是核电站的核心部件之一，在反应堆运行过程中，燃料处于不断消耗和补充供料的动态过程，提高燃料利用率、降低燃料棒的破损率、提高组件经济性和安全可靠性是世界各大核电公司和研究机构改善核电站可靠性、安全性和经济性的有效手段，如美国西屋陆续研发了OFA、VANTAGE 5、VANTAGE 5H、VANTAGE+、Performance+和ROBUST等燃料组件，法国法马通则开发了AFA、AFA-2G及AFA-3G、HTP-X5燃料组件。燃料组件的研发同时也是我国核电国产化的关键技术。

在反应堆燃料组件的研发过程中，不断提高燃料组件热工水力性能是很重要的研究方向之一，而模拟反应堆正常运行和事故工况下的燃料组件热工水力实验是验证和评价燃料组件热工水力性能最重要的手段。由于燃料组件特有的透明棒束通道结构特点，其单相和两相流动过程都较为复杂，准确获得透明棒束通道中单相和两相的流场参数和流动现象一直是热工水力研究工作的重点。但由于棒束结构紧凑、运行参数高等因素，增加了透明棒束通道中参数测量的难度，限制了对透明棒束通道中单相和两相流动特性以及局部现象的认识。为了加深对透明棒束通道内流动过程的机理研究，一般通过常温常压下的可视化实验研究来获取不同的流场参数。可视化实验中一般在实验装置上设置有可视窗，用于在实验中测量如速度、拍摄气泡尺寸和行为等数据参数，或观察局部流动现象来研究透明棒束通道的机理过程。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种具有大尺寸可视窗口、可承受一定内压的棒束通道全透明可视化实验装置，该装置能够有效解决棒束通道可视化实验中测量几何尺寸范围偏小的问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种棒束通道全透明可视化实验装置，包括棒束通道本体、设置在棒束通道本体外用于卡紧棒束通道本体的承压外壳，所述棒束通道本体由透明材料制成，所述承压外壳上在其四周开设有观察槽。该观察槽的长度等于或略小于棒束通道本体长度，起点紧邻棒束通道本体入口，终点紧邻棒束通道本体出口。发明人在长期的实践工作中发现，棒束通道中的流场具有传递效应，即上游的现象会对下游流场产生特定影响，现有技术中的棒束通道可视窗口较小，虽然能够满足一定区域流体速度场测量和图形摄制，但可测量几何范围偏小、观察区域有限，难以同时获得测点或观察点下游的流场特性；另一方面，发明人还发现在两相流动工况时，棒束通道中存在特有的局部流动现象，这对棒束通道内的热工水力研究具有重要意义。因此提出了本发明的全透明可视化方案来获得更全面的流场信息。采用全透明的棒束通道本体，棒束通道本体由承压外壳支撑，在并在承压外壳上开设大尺寸观察槽，形成大尺寸可视窗口，观察范围大大增加，解决了棒束通道可视化实验中测量几何尺寸范围偏小的问题；棒束通道本体全部采用透明材料制成必然会影响棒束通道本体的承压，使棒束通道本体无法承受较大的内压；另外，大尺寸可视窗带来的技术难度在于可视窗的密封及透明流道的内部尺寸控制。因此现有技术中一直只在棒束通道本体局部使用透明材料以满足承压要求，一直未有全部采用透明材料的方案，而本发明的发明人提出了前述全透明方案，并设计了在棒束通道本体外设置承压外壳的方案，使全部采用透明材料制成的棒束通道本体可承受一定内压，从而提供了一个承受一定内压的大尺寸可视窗口，实现了棒束通道全流场的可视化，彻底解决了棒束通道可测量几何范围偏小、观察区域有限的问题。

作为本发明的进一步改进，上述棒束通道全透明可视化实验装置还包括入口联箱、出口联箱和两根整流管，所述承压外壳两端各通过一根整流管分别连接入口联箱和出口联箱，且承压外壳与整流管密封连接。入口联箱及与其相连的整流管用于减弱流道入口流体的湍流程度，保证入口流动的均匀性，降低入口不稳定对下游流动的干扰；出口联箱及与其相连的整流管用于减弱流道出口两相流体的扰动，减小对上游的影响，同时收集空气，保证空气和流体顺利排出，以防堵塞流道，引起流动不稳定。

进一步，所述整流管未连接承压外壳的一端安装在入口联箱或出口联箱内。

进一步，所述棒束通道本体由上、下、左、右四个透明板拼接而成，四个透明板可通过粘接的方式组装在一起，通过透明板粘接组装过程控制透明棒束通道本体的内部尺寸、消除透明板间隙处的旁通漏流，同时解决大尺寸可视窗带来的可视窗的密封及透明流道的内部尺寸控制的技术难题。

进一步，相邻的两个透明板相互垂直，所述棒束通道本体的截面为矩形。

进一步，所述透明板内侧面设置有矩形凸台，相对的两个矩形凸台为一组，其中一组的两个矩形凸台安装在另一组的两个矩形凸台之间。本方案中，四个透明板的矩形凸台相互配合形成一个稳定的矩形流道，并通过粘接剂填充凸台间的间隙，一方面可以消除凸台处板间的间隙，避免流量旁通保证流场真实性，另一方面可在粘接过程中精确控制矩形通道的内部尺寸，将流道宽度的安装偏差控制在设计要求范围内 ，解决了大尺寸可视窗带来的可视窗的密封及透明流道的内部尺寸控制的技术难题。

进一步，所述承压外壳包括安装在棒束通道本体外的两个第一承压板和两个第二承压板，两个第一承压板相互平行，两个第二承压板也相互平行，且第一承压板连接在两个第二承压板之间；两个第一承压板和两个第二承压板上在正对棒束通道本体的位置设置有观察槽。本方案的承压外壳结构中，四个承压板能够较好地配合，一方面将棒束通道本体卡紧，另一方面形成紧密配合，便于后续的密封。

进一步，所述棒束通道本体与第一承压板之间、棒束通道本体与第二承压板、第一承压板与第二承压板之间均设置有密封圈。在本方案中，棒束通道本体与第一承压板和第二承压板间的两个大直径密封圈用于观察槽的密封；第一承压板与第二承压板之间的密封圈用于棒束通道本体的密封；通过加工表面平直度高的承压板和棒束通道本体外侧平面保证这三处密封圈的密封效果；组装过程中通过控制不同位置螺栓紧固力大小保证密封圈均匀受力，实现良好的耐压效果。本方案设计了多重密封的方案，进一步解决了大尺寸可视窗密封问题的技术难题。

进一步，所述第二承压板包括承压板本体和设置在承压板本体内侧面的支撑凸台，所述第一承压板安装在支撑凸台的侧面。

优选的，两个第二承压板通过螺栓固定连接。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明的实验装置具有可承受一定内压、具有大尺寸可视窗口的棒束通道本体，实现了棒束通道全流场的可视化，解决了棒束通道可测量几何范围偏小、观察区域有限的问题；

2、本发明可用于进行棒束(或管束)的单相和两相可视化实验研究，能够实现全流场的速度场测量或两相流动过程的图形记录，能够为进一步开展棒束通道内的单相和两相流动以及局部现象的定量研究提供支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的截面图。

附图中标记及相应的零部件名称：1-入口联箱；2-整流管；3-承压外壳；31-观察槽；32-第一承压板；33-第二承压板；331-承压板本体；332-支撑凸台；4-棒束通道本体；41-透明板；441-矩形凸台；5-出口联箱；6-密封圈；7-螺栓；8-螺母。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，一种棒束通道全透明可视化实验装置，包括棒束通道本体4、用于卡紧棒束通道本体4的承压外壳3，所述承压外壳3设置在棒束通道本体4外，由透明材料制成。所述承压外壳3上在其四周开设有观察槽31。棒束通道本体4内即为流体的流道，在实验中，工作介质为水，工作压力为常压~1MPa，工作温度为常温~80℃。棒束通道本体4的长度小于承压外壳3的长度，因此棒束通道本体4两端均在承压外壳3内。观察槽31的长度等于或略小于棒束通道本体4的长度，本实施例中观察槽31的起点紧邻棒束通道本体4入口、终点紧邻棒束通道本体4出口，使实验人员能够观察到棒束通道本体4内大部分流道的情况。本实施例中棒束通道本体4为透明结构，并在承压外壳3上开设大尺寸观察槽31，形成大尺寸可视窗口，能够有效解决棒束通道可视化实验中测量几何尺寸范围偏小的问题，并且本实施例中承压外壳3包覆在棒束通道本体4外，棒束通道本体4由承压外壳3支撑使棒束通道本体4可承受一定内压。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中，对棒束通道本体4和承压外壳3进行进一步改进：

如图2所示，所述棒束通道本体4为由上、下、左、右四个透明板41拼接而成，相邻的两个透明板41相互垂直，上透明板41两端分别连接在左、右透明板41的上端、下透明板41两端分别连接在左、右透明板41的下端，四个透明板41的之间形成矩形的闭合流道。所述透明板41内侧面设置有矩形凸台411，相对的两个矩形凸台411为一组，其中一组的两个矩形凸台411安装在另一组的两个矩形凸台411之间，本实施例中，左右两个透明板41的矩形凸台411安装在上下两个透明板41的矩形凸台411之间，实际应用中，也可以将上下两个透明板41的矩形凸台411安装在左右两个透明板41的矩形凸台411。棒束通道本体4的前述设置的主要目的是将四个透明板41很好地卡在一起，形成一个稳定的矩形流道，并通过粘接消除两个透明板41之间的缝隙，一方面可以消除矩形凸台411板间的间隙，避免流量旁通保证流场真实性，另一方面可在粘接过程中精确控制矩形流道的内部尺寸，将流道宽度的安装偏差控制在设计要求范围内。本实施例中，棒束通道本体4即透明板41采用有机玻璃，实际应用中，透明板41还可以采用聚碳酸酯、聚苯乙烯、石英玻璃等透明材料制成。安装时，有机玻璃之间采用粘接形式连接，粘接时内部采用规定尺寸的支撑块保证内部流道尺寸。

所述承压外壳3包括安装在棒束通道本体4外的两个第一承压板32和两个第二承压板33，两个第一承压板32相互平行，两个第二承压板33也相互平行，且第一承压板32连接在两个第二承压板33之间；两个第一承压板32和两个第二承压板33上在正对透明板41的位置设置有观察槽31。所述第二承压板33包括承压板本体331和设置在承压板本体331内侧面的支撑凸台332，所述第一承压板32安装在支撑凸台332的侧面，采用螺母8固定。两个第二承压板33通过螺栓7固定连接。前述结构使四个承压板能够较好地配合，一方面将棒束通道本体4卡紧，另一方面形成紧密配合，便于后续的密封。所述棒束通道本体4与第一承压板32之间、棒束通道本体4与第二承压板33、第一承压板32与第二承压板33之间均设置有安装密封圈6的密封槽，密封槽内安装密封圈6，实现密封，防止流体流出，本实施例中，该密封圈6采用橡胶环。在本方案中，棒束通道本体4与第一承压板32和第二承压板33间的两个大直径密封圈6用于观察槽31的密封；第一承压板32与第二承压板33之间的密封圈6用于棒束通道本体4的密封；通过加工表面平直度高的承压板和棒束通道本体4外侧平面保证这三处密封圈6的密封效果；组装过程中通过控制不同位置螺栓紧固力大小保证密封圈6均匀受力，实现良好的耐压效果。

本实施例中，第一承压板32和第二承压板33用于压紧棒束通道本体4，二者间安装橡胶环实现密封。安装时，首先在密封槽内安装密封圈6，先组装下方的第二承压板33，再安装两个第一承压板32，两个第一承压板32的下端内侧面分别紧贴下方的第二承压板33的支撑凸台332，再装入组装好的棒束通道本体4，安装上方的第二承压板33，拧紧紧固螺栓7和螺母8。

发明人在长期的实践工作中发现，棒束通道中的流场具有传递效应，即上游的现象会对下游流场产生特定影响，现有技术中的棒束通道可视窗口较小，虽然能够满足一定区域流体速度场测量和图形摄制，但可测量几何范围偏小、观察区域有限，难以同时获得测点或观察点下游的流场特性；另一方面，发明人还发现在两相流动工况时，棒束通道中存在特有的局部流动现象，这对棒束通道内的热工水力研究具有重要意义。因此提出了本发明的全透明可视化方案来获得更全面的流场信息。采用全透明的棒束通道本体4，棒束通道本体4由承压外壳3支撑，在并在承压外壳4上开设大尺寸观察槽31，形成大尺寸可视窗口，观察范围大大增加，解决了棒束通道可视化实验中测量几何尺寸范围偏小的问题；棒束通道本体4全部采用透明材料制成必然会影响棒束通道本体4的承压，使棒束通道本体4无法承受较大的内压；另外，大尺寸可视窗带来的技术难度在于可视窗的密封及透明流道的内部尺寸控制。因此现有技术中一直只在棒束通道本体4局部使用透明材料以满足承压要求，一直未有全部采用透明材料的方案，而本发明的发明人提出了前述全透明方案，并设计了在棒束通道本体4外设置承压外壳3和多重密封的方案，使全部采用透明材料制成的棒束通道本体4可承受一定内压，从而提供了一个承受一定内压的大尺寸可视窗口，并通过透明材料粘接组装过程控制透明棒束通道本体4的内部尺寸、消除透明材料间隙处的旁通漏流，实现了棒束通道全流场的可视化，彻底解决了棒束通道可测量几何范围偏小、观察区域有限的问题。因此本发明的发明人不仅发现了棒束通道全流场观察的重要意义及现有技术中无法实施全流场观察的局限，并提出了上述能够实现全流场观察并能保证承压和密封的全透明可视化实验装置，付出了创造性劳动，提出的全透明可视化实验装置也具有突出的实质性特点，对棒束通道中的流场观察研究具有重要意义。

实施例3：

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中的一种棒束通道全透明可视化实验装置还包括连接在入口联箱1、出口联箱5和2根整流管2；其中一根整流管2与入口联箱1相连，该整流管2一端安装在入口联箱1内，另一端密封连接承压外壳3入口，入口联箱1及与其相连的整流管2用于减弱流道入口流体的湍流程度，保证入口流动的均匀性，降低入口不稳定对下游流动的干扰；另一根整流管2连接出口联箱5，其一端安装在出口联箱5内，另一端密封连接承压外壳3的出口，出口联箱5及与其相连的整流管2用于减弱流道出口两相流体的扰动，减小对上游的影响，同时收集空气，保证空气和流体顺利排出，以防堵塞流道，引起流动不稳定。

安装时，先安装好棒束通道本体4，再将承压外壳3安装到棒束通道本体4外卡紧棒束通道本体4，最后在组装好的承压外壳3两侧安装进口联箱1和出口联箱5和整流管2，整流管2和承压外壳3之间也采用橡胶环密封。安装好后，进行水压试验，测试棒束通道本体4和其余位置的密封性能，密封性能达标后可投入正式实验使用。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种棒束通道全透明可视化实验装置，包括棒束通道本体（4），其特征在于，还包括设置在棒束通道本体（4）外用于卡紧棒束通道本体（4）的承压外壳（3），所述棒束通道本体（4）由透明材料制成，所述承压外壳（3）上在其四周开设有观察槽（31）。

2.根据权利要求1所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，还包括入口联箱（1）、出口联箱（5）和两根整流管（2），所述承压外壳（3）两端各通过一根整流管（2）分别连接入口联箱（1）和出口联箱（5），且承压外壳（3）与整流管（2）密封连接。

3.根据权利要求2所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于， 所述整流管（2）未连接承压外壳（3）的一端安装在入口联箱（1）或出口联箱（5）内。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，所述棒束通道本体（4）由上、下、左、右四个透明板（41）拼接而成。

5.根据权利要求4所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，相邻的两个透明板（41）相互垂直，所述棒束通道本体（4）的截面为矩形。

6.根据权利要求5所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，所述透明板（41）内侧面设置有矩形凸台（411），相对的两个矩形凸台（411）为一组，其中一组的两个矩形凸台（411）安装在另一组的两个矩形凸台（411）之间。

7.根据权利要求1至3任一所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，所述承压外壳（3）包括安装在棒束通道本体（4）外的两个第一承压板（32）和两个第二承压板（33），两个第一承压板（32）相互平行，两个第二承压板（33）也相互平行，且第一承压板（32）连接在两个第二承压板（33）之间；两个第一承压板（32）和两个第二承压板（33）上在正对棒束通道本体（4）的位置设置有观察槽（31）。

8.根据权利要求7所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，所述棒束通道本体（4）与第一承压板（32）之间、棒束通道本体（4）与第二承压板（33）、第一承压板（32）与第二承压板（33）之间均设置有密封圈（6）。

9.根据权利要求7所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，所述第二承压板（33）包括承压板本体（331）和设置在承压板本体（331）内侧面的支撑凸台（332），所述第一承压板（32）安装在支撑凸台（332）的侧面。

10.根据权利要求9所述的一种棒束通道全透明可视化实验装置，其特征在于，两个第二承压板（33）通过螺栓（7）固定连接。