CN107578831A - 一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，包括冷却流体；流体循环系统，用于控制冷却流体工作状态并控制在冷却流体中加入可在激光照射下反光的示踪粒子的加入状态；实验模拟系统，包括多个矩阵式分布的模拟燃料棒束；以及冷却流体通道，用于容纳模拟燃料棒束；以及定位格架，用于定位模拟燃料棒束并加强冷却流体在模拟燃料棒束之间的横向流动；光源系统，包括双脉冲激光器，用于提供双脉冲激光片光源；相机系统，用于采集脉冲间隔内在片光源照射下的截面中横向流场的两帧或以上的图像；计算机，用于读取图像并处理得出描绘横向流场的全部瞬时速度矢量；还包括像方远心系统，相机系统被配置为通过像方远心系统来采集图像。

Description

一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种横向流场可视化测量系统及方法，特别是涉及一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统及方法。

背景技术

常用压水堆燃料组件是棒束型燃料组件，由一定数量的圆柱形燃料棒按照一定的规则几何形状排列，竖直安装于核反应堆内，水作为冷却剂竖直向上流动冷却燃料棒束。棒束是细而长的金属棒，为减轻流致振动，需要在长棒束高度方向上安装固定和定位装置，即定位格架。定位格架上设计了搅混翼片，以加强棒束之间的横向流动，增强换热，提高经济性和安全性，因此，定位格架下游横向流场分布是一个核反应堆研究的关键问题。

目前，对定位格架下游流场的研究方法，主要是实验方法和计算流体力学模拟。现阶段，常用的流体力学模拟软件为CFD(计算流体动力学)，但CFD其中很多流体模型得到的仿真数据仍存在不合理的地方，并不完善，因此，必须结合实验结果来对CFD中的流体模型进行对比验证，并加以改进。实验普测量横向流场分布的方法为动态PIV(粒子图像测速法)方法，但在现有的实验系统中主要有两个因素影响了试验数据的精度从而影响了实验模拟结果：一是用于采集图像数据的高速摄像机的镜头导致的图像畸变，引入了数据标定结果的不确定性；二是冷却流体与模拟燃料棒束材料的折射率不同造成的系统误差。

其中，虽然冷却流体和模拟燃料棒束的材料可以分别采用NaI溶液与有机玻璃来补偿这种系统误差，但材料成本高且NaI溶液化学性质不稳定，不能长期保存。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是，如何改善用于采集图像数据的高速摄像机的镜头导致的图像畸变，和使用化学性质稳定成本更低的冷却流体以及与之折射率匹配的模拟燃料棒束的替代材料。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，包括：

冷却流体；

流体循环系统，用于控制冷却流体工作状态并控制在所述冷却流体中加入可在激光照射下反光的示踪粒子的加入状态；

实验模拟系统，包括多个矩阵式分布的模拟燃料棒束；冷却流体通道，所述冷却流体通道的长度方向与所述模拟燃料棒束的长度方向一致，用于容纳所述模拟燃料棒束；所述冷却流体通道呈方形，两开放端处可固定所述模拟燃料棒束并允许所述冷却流体流经所述模拟燃料棒束与所述冷却流体通道间的空间；以及定位格架，用于定位所述模拟燃料棒束并加强所述冷却流体在所述模拟燃料棒束之间的横向流动；

光源系统，包括双脉冲激光器，用于向垂直于所述冷却流体通道长度方向的某一截面中提供双脉冲激光片光源；

相机系统，用于采集脉冲间隔内在所述片光源照射下的所述截面中横向流场的两帧或以上的图像；

计算机，用于读取所述图像并处理得出描绘所述横向流场的全部瞬时速度矢量；

像方远心系统，所述相机系统被配置为通过所述像方远心系统来采集所述图像。

进一步地，所述像方远心系统为望远镜；进一步地，所述冷却流体为水；所述模拟燃料棒束采用氟乙烯丙烯共聚物材料。

其中，氟乙烯丙烯共聚物材料的透光率为89％，折射率为1.338(25摄氏度)；水的折射率为1.333(25摄氏度)，两者折射率匹配效果极佳。

进一步地，所述模拟燃料棒束为实心棒束和/或空心棒束。

进一步地，所述模拟燃料棒束为直棒束和/或绕丝棒束，所述绕丝棒束为所述直棒束上缠绕有螺旋形定位丝。

进一步地，所述模拟燃料棒束的两端连接有不锈钢塞头，所述不锈钢塞头的外端部设置有连接螺栓，所述冷却流体通道的两开放端分别固定有支撑板，所述支撑板上设有矩阵式分布的螺纹孔，所述连接螺栓被配置为与所述螺纹孔相配合以使所述模拟燃料棒束固定于所述冷却流体通道腔体内。

其中，所述支撑板具有可使所述水流过的空隙。

进一步地，所述相机系统包括：

导轨；

第一导轨托架，所述第一导轨托架位于所述导轨上方且被设置为通过卡紧所述导轨来保持相对固定；

第二导轨托架，所述第二导轨托架位于所述导轨上方且被设置为通过卡紧所述导轨来保持相对固定；

第一剪式升降台，所述第一剪式升降台位于所述第一导轨托架上方且与所述第一导轨托架螺纹连接；

高速CCD相机，所述高速CCD相机位于所述第一导轨托架上方且与所述第一剪式升降台相连接；

第二剪式升降台组，所述第二剪式升降台组位于所述第一导轨托架下方且与所述第一导轨托架螺纹连接；

观察段平台，所述观察段平台位于所述第二剪式升降台组下方且与所述第二剪式升降台组相连接。

其中，所述望远镜的视场光阑在所述高速CCD相机物镜的物方焦平面处作为的孔径光阑，并且像方的主光线平行于光轴，所以即使CCD表面不与像平面重合，所述示踪粒子的成像散斑中心位置不会改变，以消除由于高速CCD相机的距离变动引入的测量误差。所述望远镜加大了获得图像的景深，可有效降低所述高速CCD相机镜头带来的畸变效应。

进一步地，所述望远镜位于所述第二导轨托架上方且与所述第二导轨托架连接。

本发明还提供了一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量装置测量横向流场的方法，包括以下步骤：

步骤1、调整所述剪式升降台的高度以使所述高速CCD相机、所述望远镜以及所述冷却流体通道三者处于水平共轴的位置，记该轴线为基准轴线；

步骤2、调整所述双脉冲激光器的中心线在所述冷却流体通道的长度范围内与所述基准轴线垂直且共面，且所述双脉冲激光片光源与所述基准轴线相垂直；

步骤3、所述流体循环系统进入稳定工作状态后，向所述水中加入适量示踪粒子溶液，调整所述高速CCD相机的镜头找到示踪粒子反光图像最清晰的位置；

步骤4、调整所述双脉冲激光器的相关参数，以使出射的两束所述片光源的光强基本一致；

步骤5、测量过程中所述高速CCD相机通过所述望远镜采集图像；

步骤6、计算机读取所述图像并经信号处理过程得出描绘所述横向流场的全部瞬时速度矢量场。

进一步地，所述信号处理过程进一步包括以下步骤：

步骤6A、对所述图像进行窗口离散划分；

步骤6B、通过在一个所述窗口中对两帧所述图像中的示踪粒子间采用FFT(快速傅里叶变换)算法进行互相关计算，进而得到所述窗口的平均位移，并由脉冲间隔得到所述窗口的速度矢量；

步骤6C、对所有窗口进行上述互相关计算，进而得出描绘所述横向流场的全部瞬时速度矢量场。

本发明的有益效果在于：

1、使用望远镜作为像方远心系统可以有效地消除高速CCD相机自身存在的镜头畸变效应、大大降低由于CCD镜头距离改变而造成图像放大倍数明显改变的测量误差；

2、采用用氟乙烯丙烯共聚物材料制作的模拟燃料棒束与作为冷却流体的水的组合代替传统采用用有机玻璃材料制作的模拟燃料棒束与作为冷却流体的NaI溶液的组合，可以达到很好的折射率匹配效果，消除由于不同介质折射造成图像变形的系统误差，更加稳定且成本更低。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统第一种实施方式的整体示意图；

图2是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统第一种实施方式的实验模拟系统的示意图；

图3是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统第一种实施方式的实验模拟系统沿图2的A-A方向的剖面图；

图4是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统第一种实施方式的模拟燃料棒束的示意图；

图5是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统的相机系统以及望远镜的示意图；

图6是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统的加装望远镜的标定图像；

图7是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统的拆除望远镜的标定图像；

图8是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统第三种实施方式的模拟燃料棒束的示意图；

图9是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量方法的步骤1示意图；

图10是本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量方法的步骤6A示意图。

具体实施方式

图1至图4示出本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统的第一种实施方式，包括：冷却流体1、流体循环系统2、实验模拟系统3、光源系统4、相机系统5、计算机6以及望远镜7。

其中，本实施例中的冷却流体为水。

如图1所示，流体循环系统包括水箱21、卧式离心泵22、进口段管道23、出口段管道24、第一水槽25、第二水槽26。卧式离心泵22为冷却流体1循环提供动力，使得冷却流体1在整个回路中循环运行，通过调整卧式离心泵22的转速可控制回路中冷却流体1的流量；循环水经进口段管道23从下部流入第一水槽25，并从第二水槽26的下部经出口段管道24回流至水箱21；第一水槽25中可加入可在激光照射下反光的示踪粒子溶液。

如图2至图4所示，实验模拟系统，包括多个矩阵式分布的模拟燃料棒束31、冷却流体通道32、支撑板33以及定位格架34。模拟燃料棒束31为空心直棒束，两端连接有不锈钢塞头35，不锈钢塞头35的外端部设置有连接螺栓；冷却流体通道32呈方形通透管道状，右开放端与第一水槽25连接相通，左开放端与第二水槽26连接相通，冷却流体通道32的长度方向与模拟燃料棒束31的长度方向一致，可容纳模拟燃料棒束31；冷却流体通道32的两开放端分别固定有支撑板33，支撑板33上设有矩阵式分布的螺纹孔以及可使冷却流体1流过的空隙，连接螺栓被配置为与螺纹孔相配合以使模拟燃料棒束31固定于冷却流体通道32腔体内；冷却流体1可流经模拟燃料棒束31与冷却流体通道32间的空间；定位格架34用于定位模拟燃料棒束31并加强冷却流体1在模拟燃料棒束31之间的横向流动。

其中，模拟燃料棒束31采用氟乙烯丙烯共聚物材料，氟乙烯丙烯共聚物材料的透光率为89％，折射率为1.338(25摄氏度)；冷却流体1的折射率为1.333(25摄氏度)，两者折射率匹配效果极佳，可消除由于不同介质折射造成光学图像信号变形的系统误差。

如图1所示，光源系统，包括双脉冲激光器41、激光器电源及冷却系统42以及激光器平台43。双脉冲激光器41可向垂直于冷却流体通道32长度方向的某一截面中提供双脉冲激光片光源；激光器平台43可调节激光器竖直方向的位置；激光器电源及冷却系统42为双脉冲激光器41提供工作能量及工作温度环境。

如图1及图5所示，相机系统，包括导轨51、第一导轨托架52、第二导轨托架53、第一剪式升降台54、高速CCD相机55、第二剪式升降台组56、观察段平台57。第一导轨托架52位于导轨51上方且被设置为通过卡紧导轨51来保持相对固定；第二导轨托架53位于导轨51上方且被设置为通过卡紧导轨51来保持相对固定；第一剪式升降台54位于第一导轨托架52上方且与第一导轨托架52螺纹连接；高速CCD相机55位于第一导轨托架52上方且与第一剪式升降台54相连接；第二剪式升降台组56位于第一导轨托架52下方且与第一导轨托架52螺纹连接；观察段平台57位于第二剪式升降台组56下方且与第二剪式升降台组56相连接。

其中，高速CCD相机55可采集脉冲间隔内在片光源照射下的截面中横向流场的两帧或以上的图像。

原理上，如图3所示，像方远心系统为望远镜7，相机系统被配置为通过望远镜7来采集图像，望远镜7位于所述第二导轨托架53上方且与所述第二导轨托架53连接；望远镜7的视场光阑在高速CCD相机55物镜的物方焦平面处作为的孔径光阑，并且像方的主光线平行于光轴，所以即使CCD表面不与像平面重合，示踪粒子的成像散斑中心位置不会改变，以消除由于高速CCD相机55的距离变动引入的测量误差；望远镜7加大了获得图像的景深，可有效降低高速CCD相机55镜头带来的畸变效应。

实验上，为了验证在该实验中的有效性，做拆除和加装望远镜的对照实验，分别将标定板平行于望远镜放置于定位格架下游不同位置处，做标定试验，得到标定标定板标定图像如下：

如图6所示，实验过程中，使用望远镜充当远心光学系统，由于望远镜的存在，出射光路为平行光，所以，图5中显示出标定板整体图像以及水箱出口段内壁图像。

如图7所示，对照试验中，不使用望远镜充当远心光学系统，显示为标定板图像以及水箱方形通道内壁图像，且标定板在内壁有明显的反射图像出现，所以，其显示为锥形光路范围，存在较明显镜头畸变。

由此可知，在加装望远镜之后，由于观察面和相机之间的距离的改变而导致结果出现明显误差的因素将大大降低。

其中，通过分别调整第一导轨托架52和第二导轨托架53相对导轨51的卡人位置可调整高速CCD相机55与望远镜7的轴向位置分布；通过调整第二剪式升降台组56可对高速CCD相机55与望远镜7的垂轴方向位置做一级调整，通过调整第一剪式升降台54可对高速CCD相机55的垂轴方向位置做二级调整。

如图1所示，计算机6用于读取图像并处理得出描绘横向流场的全部瞬时速度矢量。

在本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统的第二种实施方式，其中模拟燃料棒束31为实心直棒束。

图8示出本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统的第三种实施方式，其中模拟燃料棒束31为空心绕丝状棒束，即在直棒束的基础上缠绕有螺旋形定位丝36，进而可以去掉定位格架，测量不同位置处的流场分布。

在本发明基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统的第四种实施方式，其中模拟燃料棒束31为实心绕丝状棒束。

本发明还提供了一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量装置测量横向流场的方法，包括以下步骤：

步骤1、如图9所示，调整剪式升降台的高度以使高速CCD相机55、望远镜7以及冷却流体通道32三者处于水平共轴的位置，记该轴线为基准轴线；

步骤2、调整双脉冲激光器41的中心线在冷却流体通道32的长度范围内与基准轴线垂直且共面，且双脉冲激光片光源与基准轴线相垂直；

步骤3、流体循环系统进入稳定工作状态后，向冷却流体1中加入适量示踪粒子溶液，调整高速CCD相机55的镜头找到示踪粒子反光图像最清晰的位置；

步骤4、调整双脉冲激光器41的相关参数，以使出射的两束片光源的光强基本一致；

步骤5、测量过程中高速CCD相机55通过望远镜7采集图像；

步骤6、计算机6读取图像并经信号处理过程得出描绘横向流场的全部瞬时速度矢量场。

其中，信号处理过程进一步包括以下步骤：

步骤6A、如图10所示，将激光脉冲间隔内获得的帧1及帧2的图像离散划分为多个M×M的窗口；

步骤6B、通过在一个窗口中对两帧图像中的示踪粒子间采用FFT(快速傅里叶变换)算法进行互相关计算，进而得到窗口的平均位移，并由脉冲间隔得到窗口的速度矢量；

步骤6C、对所有窗口进行上述互相关计算，进而得出描绘横向流场的全部瞬时速度矢量场。

Claims (10)

1.一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，包括：

冷却流体；

流体循环系统，用于控制冷却流体工作状态并控制在所述冷却流体中加入可在激光照射下反光的示踪粒子的加入状态；

实验模拟系统，包括多个矩阵式分布的模拟燃料棒束；冷却流体通道，用于容纳所述模拟燃料棒束，所述冷却流体通道包括开放的两端，所述开放的两端用于固定所述模拟燃料棒束并允许所述冷却流体流经所述模拟燃料棒束与所述冷却流体通道间的空间；以及定位格架，用于定位所述模拟燃料棒束并加强所述冷却流体在所述模拟燃料棒束之间的横向流动；

光源系统，包括双脉冲激光器，用于向垂直于所述冷却流体通道长度方向的某一截面中提供双脉冲激光片光源；

相机系统，用于采集脉冲间隔内在所述片光源照射下的所述截面中横向流场的两帧或以上的图像；

计算机，用于读取所述图像并处理得出描绘所述横向流场的全部瞬时速度矢量；以及

像方远心系统，所述相机系统被配置为通过所述像方远心系统来采集所述图像。

2.如权利要求1所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，所述像方远心系统为望远镜。

3.如权利要求2所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，所述相机系统包括：

导轨；

第一导轨托架，所述第一导轨托架位于所述导轨上方且被设置为通过卡紧所述导轨来保持相对固定；

第二导轨托架，所述第二导轨托架位于所述导轨上方并且被设置为通过卡紧所述导轨来保持相对固定；

第一剪式升降台，所述第一剪式升降台位于所述第一导轨托架上方且与所述第一导轨托架螺纹连接；

高速CCD相机，所述高速CCD相机位于所述第一导轨托架上方且与所述第一剪式升降台相连接；

第二剪式升降台组，所述第二剪式升降台组位于所述第一导轨托架下方且与所述第一导轨托架螺纹连接；

观察段平台，所述观察段平台位于所述第二剪式升降台组下方且与所述第二剪式升降台组相连接。

4.如权利要求3所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，所述望远镜位于所述第二导轨托架上方且与所述第二导轨托架连接。

5.如权利要求1所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，所述冷却流体为水；所述模拟燃料棒束采用氟乙烯丙烯共聚物材料。

6.如权利要求5所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，所述模拟燃料棒束为实心棒束和/或空心棒束。

7.如权利要求5所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，所述模拟燃料棒束为直棒束和/或绕丝棒束，所述绕丝棒束为所述直棒束上缠绕有螺旋形定位丝。

8.如权利要求5所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统，其特征在于，所述模拟燃料棒束的两端连接有不锈钢塞头，所述不锈钢塞头的外端部设置有连接螺栓。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统测量横向流场的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、调整所述第二剪式升降台组的高度以使所述高速CCD相机、所述望远镜以及所述冷却流体通道三者处于水平共轴的位置，记该轴线为基准轴线；

步骤2、调整所述双脉冲激光器的中心线在所述冷却流体通道的长度范围内与所述基准轴线垂直且共面，且所述双脉冲激光片光源与所述基准轴线相垂直；

步骤3、所述流体循环系统进入稳定工作状态后，向所述水中加入适量示踪粒子溶液，调整所述高速CCD相机的镜头找到示踪粒子反光图像最清晰的位置；

步骤4、调整所述双脉冲激光器的相关参数，以使出射的两束所述片光源的光强基本一致；

步骤5、测量过程中所述高速CCD相机通过所述望远镜采集图像；

步骤6、计算机读取所述图像并经信号处理过程得出描绘所述横向流场的全部瞬时速度矢量场。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述信号处理过程进一步包括以下步骤：

步骤6A、对所述图像进行窗口离散划分；

步骤6B、通过在一个所述窗口中对两帧所述图像中的示踪粒子间采用FFT(快速傅里叶变换)算法进行互相关计算，进而得到所述窗口的平均位移，并由脉冲间隔得到所述窗口的速度矢量；

步骤6C、对所有窗口进行上述互相关计算，进而得出描绘所述横向流场的全部瞬时速度矢量场。