CN108375401A - 一种用于两相流空泡份额测量的实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，其同时采用射线衰减法与高速摄像法测量水平管两相流空泡份额，在水平管外设计并安置两套相互影响可以忽略的测量装置，这两套装置可以在水平管两相流变化情况下稳定可靠运行，这样一次实验可以获得两组实验数据，且这两组实验数据相互独立，对这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，则可获得高置信度的两相流空泡份额置信区间。

Description

一种用于两相流空泡份额测量的实验平台

技术领域

本发明涉及反应堆热工水力技术领域，尤其涉及一种用于两相流空泡份额测量的实验平台。

背景技术

空泡份额是气液两相流的基本参数之一，在两相流的研究中处于重要的地位，尤其对反应堆冷却剂及慢化剂密度的计算，堆芯中子动力学和堆的稳定性都具有非常重要的作用。两相流流型的形态有很多，对于水平管来说，依次有：气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流以及雾状流；对于垂直管，也有从分立气泡到雾状流再到环状流的一系列流型。研究两相流理论时，大部分模型都是均相假设或者两相假设，特别是实际应用中的工业管道通常使用均相流模型来处理。其中均相假设最重要的参数之一就是空泡份额(空隙率)，而空泡份额的有效测量成为判断流型以及开展相关计算的关键。

经过过去若干年的发展，两相流在很多领域都涉及，关于两相流空泡份额的测量，也已经发展了很多方法，主要可以分为两类，直接测量法和间接测量法。直接测量空泡份额最为常见的方法是快关阀法、科氏流量计法，间接测量的方法有电学法、光学法、超声波法、导热系数法以及压差波动法等。

在反应堆领域，常见的直接测量方法具有很大的局限性，反应堆冷却剂工作在高温、高压、大流量和强辐射的环境下，对测量方法提出很高的条件。比如快关阀法，会对两相流的稳态造成破坏，不能用于实时测量，通常作为其他测量空泡份额装置的标定；更不能用于冷却回路中。科氏流量计利用管道内流动带来的科氏力，进行流量测量，拥有很好的特性，不会破坏正常流动。但一般只适用于空泡份额低于5％的情形，通过结果修正可以将误差缩小到2％。高于5％的空泡份额，合并的低密度的大气泡会对结果造成很大影响，测量结果方差超过0.08，已经不能满足精确测量的要求。

电学法有着容易受水相杂质影响、温度波动和湿度影响的缺点，往往还需要加入系数修正。如2006年崔海利文章《基于电容层析技术的气液两相流参数检测》，提出的油气两相流质量流量空隙率电容层析成像法在不同典型流型下的均方根误差均小于7％，采用de Leeuw计算式，在泡状流、层状流、塞状流和环状流等几种流型下，可以获得较好的总质量流量和液相质量流量测量结果，不同流型下的总质量流量测量的均方根误差均小于11％。但对于水为液相的情况下，相应的误差会变大；2010年M.J.Da Silva等人使用了高速电容成像系统进行空隙率空间径向分布成像、空隙率时间分布，高达5000帧每秒的采集速度和2.8毫米的分辨率，使用特殊的图像处理算法可以从成像里提取出气泡大小等信息。对于反应堆中，往往还需要考虑放射性以及射线电离产物对电容成像的干扰。

超声波法中比较典型的基本都属于侵入式测量，会对流型造成不良影响，通过小气泡的微小变动就可以引起共振频率的较大偏移，Wenger H C等人通过微波谐振腔频率的测量来确认共振频率，从而确认空隙率。但是2010年陈德华等人利用有限元法模拟系统发现大气泡下共振频率受空隙率影响很小，只能使用平缓的线性进行拟合测量，带来很大误差。所以超声波法一般只适用于空隙率低于3％以下的情况进行精确测量。超声波法对仪器安装和管壁的要求较高，加上超声波受温度变化呈现非线性，穿透能力与超声波对气泡分辨能力固有的矛盾，难以进一步提高精度和反应堆各个实际工况下的稳定性。

导热系数法与超声波法类似，也需要用到热线风速仪以及侵入式的热线探头，因此误差较大。侵入式探头在反应堆中往往需要旁路到测量回路中再进行测量，会对安全、测量准确性造成不良影响。

压差波动法属于新兴的数字信号识别方法，采集某一特制流管(如环形管、文丘里管等)前后的压差波动信号，利用智能识别进行数据分析。2007年王芳等人利用多圆环形管用于气液两相流测量，在空隙率低于0.65时误差可以控制到5％内；2015年洪文鹏等人对垂直向上4mm圆管内气液二相流进行了实验，发现利用Hurst指数可以对弹状流、搅拌流进行识别。压差波动法容易受到气液相流速、外部温度、振动等干扰因素的影响，加上各个参数在流型变化中的复杂非线性，目前的理论与技术远没有成熟。

光学法具有成熟丰富的方法，在受干扰的程度上比上面的方法要小，应用范围也更广阔。

射线法受外界温度湿度、流体粘度腐蚀性的影响很小，分辨率较高，属于非侵入性测量。主要的缺点是要求管壁对射线的屏蔽吸收足够小，可靠稳定的射线源难以获得，因为射线衰减和辐射防护的原因，无法做到长期监测；此外还有会受到反应堆工作介质放射性带来的干扰。射线衰减法的主要误差在于：非均匀混合两相流流型与非线性的气泡分布所带来的的动态误差，加上射线统计涨落的因素。射线衰减法在塞状流中动态误差最大，其次是弹状流。郝魁红等人在2007年《射线法两相流测量的动态误差研究》一文中提出：根据流型确定测量空隙率的时间，塞状流、弹状流下需要对测量结果进行补偿。

类似于射线法的有红外光谱吸收法。利用特定光谱的红外线，对有机玻璃管内的两相流进行实验，最后对数据进行识别。实验结果显示：水平、垂直方向的泡状流空隙率相对误差达到5％，水平、垂直方向的环状流误差达到30％，其余流型下没有很好的拟合效果。

其次，光纤法也大放异彩。光纤探针通常需要伸进管内，能够进行局部空隙率、当地气泡大小和速度的测量。常温下的测量容易因为气泡被探针刺穿、水黏在探针上等原因，具有较大的局限性。但在高温高压下，工作介质的粘度和表面张力很小，误差也相对较小。

高速摄像法也是近二十年来才发展成熟起来的新方法。直接高速连续拍摄管道两相流，输入计算机进行分析。关键误差在于管壁透明性以及纯化水相减少污垢附着，对光源的强度也有很大的要求。对于高温高压的液体，此外，获得的数据需要进行除噪，软件识别流型需要进行人工智能的学习，处理大批量的图片文件，带来很大的技术要求和延时性。出于对单个方向拍摄效果的局限性，冀海峰等人已经提出多视觉通道同时高速拍摄小管道两相流、通过二维图像重建三维流动模型，准确度得到有效提高，但现阶段具有只能用于小管道的局限性。

日本的Kyosuke Shinohara等人2004年的报告中提到一项名为粒子图像测速仪(micro-PIV)的新的摄像技术，由由高速相机和连续波(CW)激光器相结合，在微流控制装置中使用。这也意味着高速摄像法具有的测量方式上的可兼容性。

可见，空泡份额测量的研究一直是热点，但是如何搭建一个实验台架能够对空泡份额实验开展有效测量，成为一个非常值得关注的问题，尤其是反应堆领域。而各种测量方法都有其局限性，采用单一的测量方法、测量装置，系统误差不可忽略；若仅仅进行单次实验，考虑到偶然误差，大大降低了数据的可靠性与置信度；若进行多次重复实验测量，又要保证各次实验测量在相同的条件下进行，带来较大的操作难度及资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，提高了测量结果的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，其特征在于，包括：两相流产生、控制与管道组件、测量组件以及辅助测量组件；

所述两相流产生、控制与管道组件，用于产生两相流，并汇入到待测流段进行测量；

测量组件包括：流量计、高速相机、γ射线探头、γ射线探测器记录仪以及配套计算机；辅助测量组件包括：¹³⁷Cs放射源与外部光源；

流量计用于测量两相流产生之前气体与液体流量，配合可读性的调节开关使气液两相流在流型的形态之间控制转换；

¹³⁷Cs放射源设置于待测流段的下方，γ射线探头设置在待测流段上方，用于测量¹³⁷Cs放射源射出穿过待测流段后的γ射线，再通过数据线连接到γ射线探测器记录仪读出γ射线强度，从而在配套计算机中计算出两相流空泡份额，

外部光源与高速相机分别设置在待测流段的两侧，高速相机直接拍摄待测流段中经外部光源照亮的两相流，通过数据线连接到配套计算机中进行图像数据处理，得出两相流空泡份额；

利用分析比较的方法对两组两相流空泡份额进行筛选，确定最终的两相流空泡份额。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，同时采用射线衰减法与高速摄像法测量水平管两相流空泡份额，在水平管外设计并安置两套相互影响可以忽略的测量装置，这两套装置可以在水平管两相流变化情况下稳定可靠运行，这样一次实验可以获得两组实验数据，且这两组实验数据相互独立，对这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，则可获得高置信度的两相流空泡份额置信区间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于两相流空泡份额测量的实验平台的结构效果图；

图2为本发明实施例提供的一种用于两相流空泡份额测量的实验平台的结构示意图图；

图3为本发明实施例提供的利用射线衰减法与高速摄像法测量的器件布设示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，实验平台的结构效果图与结构示意图分别如图1-图2所示。该实验平台主要包括：两相流产生、控制与管道组件、测量组件以及辅助测量组件；

1、从主要组成部分来说：

所述两相流产生、控制与管道组件包括：气罐、水罐、气液混合泵、透明管道与水泵；用于产生两相流，并汇入到待测流段进行测量。

所述测量组件包括：流量计、高速相机、γ射线探头、γ射线探测器记录仪以及配套计算机；辅助测量组件包括：¹³⁷Cs放射源与外部光源。

所述流量计用于测量两相流产生之前气体与液体流量，配合可读性的调节开关使气液两相流在流型的形态之间控制转换。

2、从主要结构部分来说：

所述气罐与水罐出口均设有流量计，流量计与气液混合泵入口通过一段管道连接，透明管道入口与气液混合泵出口连接，透明管道的出口通过水泵与水罐连接，形成回路。

¹³⁷Cs放射源设置于待测流段的下方，γ射线探头设置在待测流段上方。

外部光源与高速相机分别设置在待测流段的两侧。

3、从主要过程工作上来说：

两相流由气罐提供气相，水罐提供液相，经由流量计所在的管道，汇入气液混合泵，用于制造气液两相流并输出到透明管道的待测流段(实验流段)进行测量；测量后的流体经过水泵，输入到水罐中再利用。

γ射线探头测量¹³⁷Cs放射源射出穿过待测流段后的γ射线，再通过数据线连接到γ射线探测器记录仪读出γ射线强度，从而在配套计算机中计算出两相流空泡份额，

高速相机直接拍摄待测流段中经外部光源照亮的两相流，通过数据线连接到配套计算机中进行图像数据处理，得出两相流空泡份额；

利用分析比较的方法对两组两相流空泡份额进行筛选，确定最终的两相流空泡份额。

此外，本发明实施例提供的上述实验平台还包含必要的结构组件，即两个支架与一个实验台。如图1所示，两个支架一前一后排布在实验台上，用于固定透明管道；如图1与图3所示，其中后一支架还用于固定高速相机的位置和方向，以及将γ射线探头垂直固定；实验台则用于承载两相流产生、控制与管道组件、测量组件以及辅助测量组件。

以上为本发明实施例提供的一种用于两相流空泡份额测量的实验平台的主要组成结构及工作过程，为了便于理解，下面针对其原理进行详细的说明。

本发明实施例所提供的上述测量平台主要解决如下三个技术问题：1)如何设计射线衰减法与摄像法测量方案，获得可靠的测量数据；2)获取软件对摄像的图像数据进行可靠的分析；3)如何在实验中探究水平管两相流空泡份额测量结果与众多影响因素之间的关系，如：射线源强度，高速相机拍摄速度，背景光源强度和颜色的关系。

1)为了获得的实验数据的可靠性，需要进行多次重复实验数据对比处理，但对于两相流流动噪声所带来的系统误差，只能通过统计意义上的随机过程加以描述，设计并安置两套可以在两相流流经透明管道情况下稳定可靠运行的测量装置，这两套装置相互影响可以忽略。这样一次实验可以获得两组相互独立的实验数据。对这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，获得高置信度的两相流空泡份额置信区间。

为了使用射线衰减法，需要在管道通水以及通空气进行本底测量。管道通空气后，获得当前放射源发出的射线在穿透管壁以及管内空气柱后的强度I₁。管道通水后，获得当前放射源发出的射线在穿透管壁以及管内水柱后的强度I₂。(以下公式符号下标1代表通空气，下标2代表通水，下标m代表通过被测两相流)。

由于每次实验时放射源强度会因为衰变而变化，所以实验前后都需要各进行一次并取平均。

又由γ射线的初始强度与介质的吸收强度I之间的关系为

I＝I₀e^-ρμZ……①

式中I₀—衰减前的入射射线强度；(射线强度单位为光子数/m²·s)

I—透过物质后的强度；

μ—物质的比密度吸收系数；

ρ—物质的密度；

Z—射线的经过物质的路程。

对于实验中测得的介于I₁与I₁的数据，可以通过公式①的变换得到的对数公式：

得出的α就是空泡份额。

为了使用高速摄像法，固定高速相机的高度和角度，拍摄透明管道待测流段中的两相流。取连续拍摄的图片数据输入到配套的计算机，利用视频图像处理软件找出气泡的边界，获取两相流的气泡位置、大小和速度，并且可获得拍照时刻前后的两相流的瞬时空泡份额。又因为瞬时的空泡份额对实际两相流系统的变化敏感性高，较射线衰减法是一个受系统波动影响的参数，最好用足够多的照片结果进行平均取值，再进行下一步处理。图像捕捉到的是气泡的尺寸，对于泡状流的小气泡，可以通过以下公式计算空泡份额：

其中，d_i，d_j分别为气泡径向和轴向的尺寸；L、D为所拍摄的管道径向和轴向的尺寸。

注意的是，气泡数目过多、气泡过大，都会引起拍摄效果的偏差。小气泡下数目过多，导致大量前后气泡重叠难以区分，难以准确计数；中等气泡变大后受重力作用明显，发生变形和旋转，也给拍摄的结果带来很大的影响。其中的小气泡、中气泡可以理解为尺寸小于第一阈值、第二阈值的气泡。

2)使用MATLAB软件编程对摄像的图像数据进行可靠的分析，主要的思路是对连续帧批量去色，获得灰度图集；灰度图需要进行批量的滤波除噪，使得有意义的数据保存下来；再通过算法获得灰度直方图、灰度共生矩阵等统计特征；最后对统计特征的处理可获得空泡份额；统计特征还可以经过智能识别，有效区分两相流流型。

3)为了研究测量结果与单一影响因素间的关系，采用控制外界变量的实验方法。γ射线的强度、高速相机拍摄速度、两相流中气泡移动速度、背景光源强度和颜色等，通过容器开口上加衰减层逐步减少γ射线的强度；通过控制相机快门频率来控制拍摄速度；泵转速改变提高透明管道入口处流速；屏蔽外部杂光后，移动实验用光源与增减光源数目进行光源强度影响测试，采用不同颜色的LED进行测试。

本发明实施例上述方案，同时采用射线衰减法与高速摄像法测量水平管两相流空泡份额，在水平管外设计并安置两套相互影响可以忽略的测量装置，这两套装置可以在水平管两相流变化情况下稳定可靠运行，这样一次实验可以获得两组实验数据，且这两组实验数据相互独立，对这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，则可获得高置信度的两相流空泡份额置信区间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，其特征在于，包括：两相流产生、控制与管道组件、测量组件以及辅助测量组件；

所述两相流产生、控制与管道组件，用于产生两相流，并汇入到待测流段进行测量；

测量组件包括：流量计、高速相机、γ射线探头、γ射线探测器记录仪以及配套计算机；辅助测量组件包括：¹³⁷Cs放射源与外部光源；

流量计用于测量两相流产生之前气体与液体流量，配合可读性的调节开关使气液两相流在流型的形态之间控制转换；

¹³⁷Cs放射源设置于待测流段的下方，γ射线探头设置在待测流段上方，用于测量¹³⁷Cs放射源射出穿过待测流段后的γ射线，再通过数据线连接到γ射线探测器记录仪读出γ射线强度，从而在配套计算机中计算出两相流空泡份额，

外部光源与高速相机分别设置在待测流段的两侧，高速相机直接拍摄待测流段中经外部光源照亮的两相流，通过数据线连接到配套计算机中进行图像数据处理，得出两相流空泡份额；

利用分析比较的方法对两组两相流空泡份额进行筛选，确定最终的两相流空泡份额。

2.根据权利要求1所述的一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，其特征在于，所述两相流产生、控制与管道组件包括：气罐、水罐、气液混合泵、透明管道与水泵；

所述气罐与水罐出口均设有流量计，流量计与气液混合泵入口通过一段管道连接，透明管道入口与气液混合泵出口连接，透明管道的出口通过水泵与水罐连接，形成回路；

气罐提供气相，水罐提供液相，经由流量计所在的管道，汇入气液混合泵，用于制造气液两相流并输出到透明管道的待测流段进行测量；测量后的流体经过水泵，输入到水罐中再利用。

3.根据权利要求1所述的一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，其特征在于，所述实验平台还包括：两个支架与实验台；两个支架一前一后排布在实验台上，用于固定透明管道；其中后一支架还用于固定高速相机的位置和方向，以及将γ射线探头垂直固定；实验台用于承载两相流产生、控制与管道组件、测量组件以及辅助测量组件。