CN106653117B - 棒束通道温度场测量可视化实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种棒束通道温度场测量可视化实验系统，包括流动回路、实验台架、光学回路和数据采集系统四个部分。流动回路包括水箱、离心泵、调节阀门、温度计、压力表、流量计；实验台架包括棒束通道、可视化棒束、定位格架、热电偶、热电偶载体、加热棒、铜板、弹簧、连接块；光路系统包括激光发射器、电动三维移动平台；数据采集系统包括高速摄影仪、电动三维移动平台、同步器、分光镜、电脑、采集器。本发明可以模拟棒束通道内温度场分布，采用激光诱导荧光技术，实现温度实时、全场、无干扰的测量，该系统操作方便，测量数据精确，应用范围广泛。

Description

棒束通道温度场测量可视化实验系统

技术领域

本发明涉及一种棒束通道温度场测量可视化实验系统，属于流体力学、反应堆热工水力学领域。

背景技术

对压水堆堆芯而言，棒束燃料组件是基本的燃料组件形式，因此棒束通道内的热工水力特性对反应堆安全性和经济性起着重要的作用，有助于防止堆芯的局部过热，降低DNB发生的机率，国内外对棒束通道内的温度分布及换热特性做了大量研究。传统的实验研究方法是采用热电偶获取棒束通道内的温度分布，从而对棒束通道内的换热特性进行分析。但是这种方法需要在棒束通道内布置较多的热电偶，对于结构复杂的棒束通道，布置热电偶严重干扰了内部流场的流动形式，破坏了涡流等二次流流动特性，导致无法准确的获得搅混装置下游的温度场分布。因此为了对棒束通道内温度场进行实时、全场、无扰的测量，采用激光诱导荧光技术对棒束通道温度场进行测量是十分有必要的，目前有学者采用该技术对矩形、圆管等通道进行了温度场测量，由于矩形、圆管等通道结构简单，实验系统布置简单，无需采用复杂的标定技术和光路布置等，而对于结构复杂的棒束通道而言，有必要设计一种用于模拟棒束通道温度场测量的可视化实验系统，运用激光诱导荧光技术获得棒束通道内全场的温度分布。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种棒束通道温度场测量可视化实验系统，实现温度实时、全场、无干扰的测量，该系统操作方便，测量数据精确，应用范围广泛。

本发明的目的是这样实现的：在循环水箱侧面出口依次连接第一阀门、离心泵、三通阀门、第二阀门、流量计、过滤器后与棒束通道的下端连接，棒束通道上端通过管路与循环水箱上端连通且在连接管路上设置有出口温度计，在流量计与过滤器之间的管路上设置有入口温度计和压力表，三通阀门的第三端通过管路连接旁通阀门后与循环水箱上端连通，循环水箱内还设置有预热器和换热器，所述棒束通道内的上下两端分别设置有一块铜板，两块铜板之间设置有加热棒，所述棒束通道内均匀设置有棒束，且棒束的两端通过法兰与棒束通道连接，且加热棒位于棒束之间，位于下端的铜板上安装有连接块，连接块与位于下端的法兰之间设置有弹簧，所述棒束通道内的中上部设置有热电偶载体，热电偶载体上设置有热电偶。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.还包括由电动三维移动平台和安装在电动三维移动平台上的激光器组成的光路系统。

2.还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括分光镜、两个高速摄像仪、同时与两个高速摄像仪连接的同步器、采集器和电脑，所述出口温度计、入口温度计、压力表、流量计均与采集器连接，所述激光器发出的激光片光穿过棒束通道并形成测量平面，同时激发出的荧光通过分光镜被两个高速摄影仪采集，通过电脑记录两个高速摄影仪采集的数据。

3.所述棒束通过设置在棒束通道内的定位格架固定。

4.所述棒束通道、热电偶载体的材料均是有机玻璃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用可视化棒束结构，实现了激光诱导荧光技术在棒束这种复杂通道中的技术应用，满足温度的实时、全场、无扰的精确测量；(2)加热组件能实现对加热棒的固定，在铜板上安放弹簧，通过弹簧的伸缩性能将连接块顶靠在铜板上，防止由于实验过程中加热棒的膨胀收缩导致连接块的脱离，保证加热棒、连接块以及铜板的紧密连接；(3)在温度标定过程中，采用有机玻璃加工的热电偶载体，能保证较高的透明度和结构强度，防止热电偶的震动，该载体可固定在不同的高度，实现对不同高度区域的温度标定，同时载体对棒束通道侵占较小，保证激光的穿透，从而实现准确的温度标定；(4)在加热过程中，热电偶载体被取出，由加热组件进行加热，两台高速摄影仪由高精度电动三维移动平台来精确定位，由同步器控制两台高速摄影仪进行拍摄，获取不同截面和高度的实验数据；(5)进一步的，基于两台高速摄影仪获取的图像在时间、空间上的准确匹配，从而实现高精度的温度全场测量，保证数据的准确性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的光路示意图；

图3是本发明的棒束通道的结构示意图。

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。

本发明提供的是一种用于模拟棒束通道温度场实时、全场测量的可视化实验测量系统，结合图1，本发明包括流动回路、实验台架、光学回路和数据采集系统四个部分。流动回路中的主要设备包括循环水箱1、第一阀门2、离心泵3、三通阀门4、第二阀门5、流量计6、入口温度计7和压力表8、过滤器9、出口温度计10、旁通阀门11、预热器12以及换热器13，是实验系统的基础部分，用以实现工质的单相循环流动，其中水箱内部储存着荧光染色剂，预热器和换热器放在水箱内部，离心泵位于水箱的下游，为工质在整个系统内的循环提供动力，三通阀门、第二阀门、压力表、流量计、入口温度计、过滤器、出口温度计依次布置在离心泵后方，实现流动回路流量、压力以及温度的测量，同时过滤器能过滤杂质，保证进入实验本体的工质的纯净度。实验台架主要包括棒束通道15、安装在本体内部的可视化棒束22、加热棒23、铜板24、热电偶载体25、固定棒束的定位格架26、弹簧27、连接块28、热电偶31，用来放置实验本体，模拟反应堆棒束通道的几何结构，实现温度的标定与全场测量。光学回路主要包括激光器29、电动三维移动平台30，用来产生激光片光，激光发射器发出的激光经过整型后，形成窄片光，通过电动三维移动平台，可以实现激光片光的准确定位，实现激光发射器的三维运动在0.1毫米量级内，保证激光平面位置的准确性。数据采集系统主要包括电脑14、分光镜16、第一高速摄影仪17、电动三维移动平台18、第二高速摄影仪19、同步器20、采集系统21，用来精确记录实验数据和参数激发的荧光通过分光镜，被垂直布置的第一高速摄影仪和第二高速摄影仪捕获，并将数据传送至电脑；所述温度计、压力表、流量计和热电偶均与采集器连接。

将上述各个部件进行连接即可完成实验系统的搭建，实验时，在离心泵3的驱动下将工质充满整个流动回路，并通过阀门2、4、5、11的开度来调节流量，并通过流量计6、温度计7、10以及压力表8记录实验参数，通过调节光路系统和实验台架使激光片光穿过棒束通道，利用电动三维移动平台18对高速摄影仪17、19进行精确定位，获取测量区域的图像，并将数据传输到电脑14存储。本发明可以实现棒束通道温度场的实时、全场、无扰的测量，操作方便，数据准确。

进一步地，热电偶载体采用透明的有机玻璃加工制作，既能保证结构强度，同时还能保证透明度，使激光能够穿过，载体能防止热电偶在流动工况下的震动，同时保证载体不随工质的流动发生滑移。

进一步地，加热方式采用加热棒、弹簧、铜板和连接块组合的形式，不但能够固定加热棒，还可以通过弹簧的伸缩性将连接块顶靠在铜板上，保证各部件的紧密连接。

进一步地，两台高速摄影仪通过高精度电动三维移动平台，并通过同步器触发信号，实现同时拍摄，保证数据的准确性。

结合图2，在本发明中，激光器29发出的激光片光穿过棒束通道，形成测量平面，同时激发出的荧光通过分光16被两台高速摄影仪采集，并通过电脑14记录，以便后期处理分析。

结合图3，可视化的棒束通道15由有机玻璃加工而成，两端通过法兰连接，可视化棒束22放在通道内，由定位格架26固定，同时加热棒23放置在棒束通道内，上端由铜板24固定，下端通过弹簧27、铜板24和连接块28紧密连接，同时上下两端起到导通电流的作用，热电偶载体25布置在定位格架的下游，对热电偶31准确定位，同时保证在工质流过棒束通道时，对热电偶起到固定和支撑的作用，防止热电偶由于工质的冲击而发生震动。

Claims (5)

1.棒束通道温度场测量可视化实验系统，其特征在于：在循环水箱侧面出口依次连接第一阀门、离心泵、三通阀门、第二阀门、流量计、过滤器后与棒束通道的下端连接，棒束通道上端通过管路与循环水箱上端连通且在连接管路上设置有出口温度计，在流量计与过滤器之间的管路上设置有入口温度计和压力表，三通阀门的第三端通过管路连接旁通阀门后与循环水箱上端连通，循环水箱内还设置有预热器和换热器，所述棒束通道内的上下两端分别设置有一块铜板，两块铜板之间设置有加热棒，所述棒束通道内均匀设置有棒束，且棒束的两端通过法兰与棒束通道连接，且加热棒位于棒束之间，位于下端的铜板上安装有连接块，连接块与位于下端的法兰之间设置有弹簧，所述棒束通道内的中上部设置有热电偶载体，热电偶载体上设置有热电偶。

2.根据权利要求1所述的棒束通道温度场测量可视化实验系统，其特征在于：还包括由电动三维移动平台和安装在电动三维移动平台上的激光器组成的光路系统。

3.根据权利要求2所述的棒束通道温度场测量可视化实验系统，其特征在于：还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括分光镜、两个高速摄影仪、同时与两个高速摄影仪连接的同步器、采集器和电脑，所述出口温度计、入口温度计、压力表、流量计均与采集器连接，所述激光器发出的激光片光穿过棒束通道并形成测量平面，同时激发出的荧光通过分光镜被两个高速摄影仪采集，通过电脑记录两个高速摄影仪采集的数据。

4.根据权利要求3所述的棒束通道温度场测量可视化实验系统，其特征在于：所述棒束通过设置在棒束通道内的定位格架固定。

5.根据权利要求3或4所述的棒束通道温度场测量可视化实验系统，其特征在于：所述棒束通道、热电偶载体的材料均是有机玻璃。