CN109448876A - 一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，属于流体速度测量领域。本发明包括实验台架、流动系统、激光系统、实验主体和采集系统，流动系统包括主循环回路系统和安注系统，实验开始时排除管道及实验主体内的气体，切换三通阀，使蔗糖溶液水箱中的蔗糖溶液注入实验本体，安注结束后，切换再循环水箱，冲洗实验管道，冲洗完成后，切换到蔗糖溶液水箱，使其自循环，对称的激光照射形成一个观测的二维平面，高速摄影仪记录实验现象，并将数据存储到计算机。本发明进行了可视化实验本体的下降段流体速度场实时测量，准确得到下降段二维速度分布，极大提高了实验精度，测量范围广泛，装置经济实惠、气密性良好、排气方便，不易腐蚀设备。
Description
技术领域
本发明属于流体速度测量领域，具体涉及一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置。
背景技术
反应堆发生LOCA事故时，反应堆将紧急停堆并进行安全注射，堆芯应急冷却系统中的安注系统就会迅速将高浓度的含硼水注入压力容器，以保证淹没堆芯。在事故过程中，注入的含硼水在下降段或是在下腔室内的扩散运输行为，会直接影响到堆芯的功率分布，进而影响堆芯内热量的传递。因而，反应堆下降段中，含硼溶液的扩散行为，作为反应堆热工水力的研究问题极受人们的重视。目前，对于反应堆压力容器的下降段及下腔室的相关研究，主要采用数值模拟和热工水力实验两种方法。数值模拟具有成本低、速度快、操作简单、危险性低等优点，被广泛应用于各种实验模型的分析计算，并取得了良好的效果。但是，数值模拟仍旧是理想的实验状态。所以，急需有效的实验数据来验证数值模拟的实验结论。近年来，粒子图像测速法(Particle Image Velocity)，广泛应用于流体力学的测量。对于下降段的PIV分析，是在稳定的流场环境中，加入适量PIV粒子，使其分布均匀。之后用同样带有PIV粒子的不同密度的流体直接注入，分析这一过程中可能的速度场行为，从而达到分析安注过程中，含硼溶液扩散行为的目的。因此，需要一套经济、简单的实验装置来达成此目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测量安注过程中压力容器下降段二维速度分布的系统，能够实现对可视化实验本体的下降段流体速度场实时测量。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，包括实验台架、流动系统、激光系统、实验主体和采集系统，流动系统包括主循环回路系统和安注系统，主循环回路系统包括循环水箱(1)、第一球阀(2)、第一增压泵(3)、止回阀(5)、第二球阀(4)、第一流量计(6)、第一止回阀(7)、第三球阀(8)、第七球阀(25)、第三止回阀(26)、第三增压泵(27)、第八球阀(28)、第九球阀(29)、第十球阀(30)以及相应的管道，实验主体包括实验本体(9)、流量分配孔板(37)、方形水箱(36)、第一排气孔(10)、第二排气孔(44)、第一进水口(45)、第二进水口(46)、出水口(47)，安注系统由再循环水箱(16)、第四球阀(17)、第五球阀(18)、蔗糖溶液水箱(19)、第二增压泵(20)、第二流量计(21)、三通阀(22)、第二止回阀(23)、第六球阀(24)组成，激光系统由第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一激光器升降台(42)、第二激光器升降台(43)组成，采集系统由高速摄影仪(12)、计算机(13)以及连接的线路组成，循环水箱(1)左侧上支路依次连接第二球阀(4)、止回阀(5)，左侧下支路依次连接第一球阀(2)、第一增压泵(3)，第一增压泵(3)、止回阀(5)通过第十球阀(30)与第一流量计(6)连接，第一流量计(6)另一侧依次连接第一止回阀(7)、第三球阀(8)、第一进水口(45)，循环水箱(1)右侧上支路依次连接第七球阀(25)、第三止回阀(26)，右侧下支路依次连接第三增压泵(27)、第八球阀(28)，第八球阀(28)、第三止回阀(26)通过第九球阀(29)与第二进水口(46)连接，再循环水箱(16)通过第四球阀(17)与第二增压泵(20)连接，蔗糖溶液水箱(19)左侧支路通过第五球阀(18)与第二增压泵(20)连接，第二增压泵(20)另一侧依次连接第二流量计(21)、三通阀(22)、第二止回阀(23)、第六球阀(24)、第一进水口(45)，蔗糖溶液水箱(19)右侧支路与三通阀(22)连接，第一激光器(14)放置于第一激光器升降台(42)上方，第二激光器(15)放置于第二激光器升降台(43)上方，第一激光器(14)与第二激光器(15)对称放置于实验主体两侧，实验主体正上方为高速摄影仪(12)，高速摄影仪(12)与计算机(13)连接。
所述的实验本体(9)和方形水箱(36)由透明无色的有机玻璃制成。
所述的实验本体(9)和方形水箱(36)的间隔中充满去离子水。
所述的第一进水口(45)、第二进水口(46)同时开启，或只开启其中一个，流体由出水口(47)流出。
所述的第一流量计(6)、第二流量计(21)为精密电磁流量计。
所述的采集系统的观测方法为粒子图像测速法，高速摄影仪(12)连续拍摄示踪粒子的运动情况。
所述的激光系统采用双侧激光对称照射实验主体。
所述的实验本体(9)的上部设有第一排气孔(10)，实验本体(9)和方形水箱(36)之间的上部设有第二排气孔(44)，第一排气孔(10)和第二排气孔(44)垫有密封橡胶垫。
本发明的有益效果在于：
本发明能够实现对可视化实验本体的下降段流体速度场实时测量，准确得到下降段二维速度分布，极大提高了实验精度，测量范围广泛，装置经济实惠、气密性良好、排气方便，不易对管路和设备产生腐蚀。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明激光光路与拍摄光路示意图。
图3为本发明实验本体的剖面示意图。
图4为本发明采用折射率补偿后的光路图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
本发明公开了一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，包括实验台架、流动系统、激光系统、实验主体和采集系统，流动系统包括主循环回路系统和安注系统，主循环回路系统包括循环水箱(1)、第一球阀(2)、第一增压泵(3)、止回阀(5)、第二球阀(4)、第一流量计(6)、第一止回阀(7)、第三球阀(8)、第七球阀(25)、第三止回阀(26)、第三增压泵(27)、第八球阀(28)、第九球阀(29)、第十球阀(30)以及相应的管道，实验主体包括实验本体(9)、流量分配孔板(37)、方形水箱(36)、第一排气孔(10)、第二排气孔(44)、第一进水口(45)、第二进水口(46)、出水口(47)，安注系统由再循环水箱(16)、第四球阀(17)、第五球阀(18)、蔗糖溶液水箱(19)、第二增压泵(20)、第二流量计(21)、三通阀(22)、第二止回阀(23)、第六球阀(24)组成，激光系统由第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一激光器升降台(42)、第二激光器升降台(43)组成，采集系统由高速摄影仪(12)、计算机(13)以及连接的线路组成，；循环水箱(1)左侧上支路依次连接第二球阀(4)、止回阀(5)，左侧下支路依次连接第一球阀(2)、第一增压泵(3)，第一增压泵(3)、止回阀(5)通过第十球阀(30)与第一流量计(6)连接，第一流量计(6)另一侧依次连接第一止回阀(7)、第三球阀(8)、第一进水口(45)，循环水箱(1)右侧上支路依次连接第七球阀(25)、第三止回阀(26)，右侧下支路依次连接第三增压泵(27)、第八球阀(28)，第八球阀(28)、第三止回阀(26)通过第九球阀(29)与第二进水口(46)连接，再循环水箱(16)通过第四球阀(17)与第二增压泵(20)连接，蔗糖溶液水箱(19)左侧支路通过第五球阀(18)与第二增压泵(20)连接，第二增压泵(20)另一侧依次连接第二流量计(21)、三通阀(22)、第二止回阀(23)、第六球阀(24)、第一进水口(45)，蔗糖溶液水箱(19)右侧支路与三通阀(22)连接，第一激光器(14)放置于第一激光器升降台(42)上方，第二激光器(15)放置于第二激光器升降台(43)上方，第一激光器(14)与第二激光器(15)对称放置于实验主体两侧，实验主体正上方为高速摄影仪(12)，高速摄影仪(12)与计算机(13)连接。
所述的实验本体(9)和方形水箱(36)由透明无色的有机玻璃制成，用于减少光路进入实验本体曲面时产生的折射影响，可视化效果好，在保证优异的可视化效果的前提下尽可能还原了堆芯内部的真实环境。
所述的实验本体(9)和方形水箱(36)的间隔中充满去离子水，使得原本会由实验本体相切位置射出的激光，折射进入实验本体，达到了折射率补偿的作用。
所述的第一进水口(45)、第二进水口(46)同时开启，或只开启其中一个，流体由出水口(47)流出，流量分配孔板的设置是为了使实验本体更加真实接近于真实堆芯结构。
所述的第一流量计(6)、第二流量计(21)为精密电磁流量计，通过观测流量计示数并调整阀门开度，使主循环回路和安注回路中流体进入实验本体时，其流速保持一致。
所述的采集系统的观测方法为粒子图像测速法，高速摄影仪(12)连续拍摄示踪粒子的运动情况，配合专业的图像后处理软件，能准确得到下降段二维速度分布。
所述的激光系统采用双侧激光对称照射实验主体，有效提高了观测面的激光亮度，增强了观测效果，提高了实验精度，激光升降均由高精度升降台配合计算机(13)进行，由计算机相关软件精密控制，误差在毫米量级，保证了激光面的水平度，有效的改进了单侧激光照射时，激光随路径的衰减以及激光分布不均匀的缺点，同时，双侧激光交汇形成的观测面比单侧更为明亮，便于观测和相机拍摄。
所述的实验本体(9)的上部设有第一排气孔(10)，实验本体(9)和方形水箱(36)之间的上部设有第二排气孔(44)，第一排气孔(10)和第二排气孔(44)垫有密封橡胶垫，气密性良好，且排气方便。
通过向实验回路注射蔗糖溶液模拟安全注射，蔗糖溶液折射率与水相差较小，且不易对管路和设备产生腐蚀。
实验开始时排除管道及实验主体内的气体，安全注射开始时，切换三通阀(22)，使蔗糖溶液水箱(19)中的蔗糖溶液注入实验本体(9)，安注过程结束后，切换再循环水箱(16)，冲洗实验管道，冲洗完成后，切换到蔗糖溶液水箱(19)，使其自循环，对称的激光照射形成一个观测的二维平面，安注过程中，高速摄影仪(12)记录实验的现象，并将数据存储到计算机(13)。实验时，安注水箱中蔗糖溶液经由屏蔽泵注入实验管道，最终进入压力容器，在初始速度的作用下，发生扩散过程，由此，可以测量溶液扩散的速度场。
实施例2
本发明涉及的是一种用于压力容器下降段安注过程速度分布测量装置，采用了折射率补偿的手段，涉及的技术领域包括流体力学、反应堆热工水力学、几何光学等。
在反应堆发生LOCA事故时，反应堆将紧急停堆并进行安全注射，堆芯应急冷却系统中的安注系统就会迅速将高浓度的含硼水注入压力容器，以保证淹没堆芯。在事故过程中，注入的含硼水在下降段或是在下腔室内的扩散运输行为，会直接影响到堆芯的功率分布，进而影响堆芯内热量的传递。因而，反应堆下降段中，含硼溶液的扩散行为，作为反应堆热工水力的研究问题极受人们的重视。目前，对于反应堆压力容器的下降段及下腔室的相关研究，主要采用数值模拟和热工水力实验两种方法。数值模拟具有成本低、速度快、操作简单、危险性低等优点，被广泛应用于各种实验模型的分析计算，并取得了良好的效果。但是，数值模拟仍旧是理想的实验状态。所以，急需有效的实验数据来验证数值模拟的实验结论。近年来，粒子图像测速法(Particle Image Velocity)，广泛应用于流体力学的测量。对于下降段的PIV分析，是在稳定的流场环境中，加入适量PIV粒子，使其分布均匀。之后用同样带有PIV粒子的不同密度的流体直接注入，分析这一过程中可能的速度场行为，从而达到分析安注过程中，含硼溶液扩散行为的目的。因此，需要一套经济、简单的实验装置来达成此目的。
本发明的目的在于提供一种用于测量安注过程中压力容器下降段二维速度分布的系统，能够实现对可视化实验本体的下降段流体速度场实时测量，装置经济实惠，测量数据准确，测量范围广泛。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的目的在于提供一种用于压力容器下降段安注过程流体速度分布的测量系统，实现对压力容器下降段流体速度场的准确测量。实验时，安注水箱中蔗糖溶液经由屏蔽泵注入实验管道，最终进入压力容器，在初始速度的作用下，发生扩散过程，由此，可以测量溶液扩散的速度场。
本发明还可以包括：
1、实验所用压力容器为透明无色的有机玻璃。
2、压力容器外的方形水槽，内部充满去离子水。
3、实验时，主循环回路和安注回路安装精密电磁流量计，通过观测流量计示数并调整阀门开度，使主循环回路和安注回路中流体进入实验本体时，其流速保持一致。
本发明的目的在于提供一种用于压力容器下降段硼溶液扩散的速度场测量装置，本发明的优势在于：(1)实验本体外侧套有有机玻璃制成的方形水箱，用于减少光路进入实验本体曲面时产生的折射影响。(2)本发明的激光系统采用双侧激光对称照射实验本体，有效提高了观测面的激光亮度，增强了观测效果，提高了实验精度。(3)实验本体内外两层均设有排气孔，并垫有密封橡胶垫，气密性良好，且排气方便。(4)本发明采用粒子图像测速法，通过高速摄影仪连续拍摄示踪粒子的运动情况，配合专业的图像后处理软件，能准确得到下降段二维速度分布。(5)本实验激光升降均由高精度升降台配合计算机进行，极大减小了实验的测量误差。(6)本发明通过向实验回路注射蔗糖溶液模拟安全注射，从而完成对速度场的二维分布测量，其中，蔗糖溶液折射率与水相差较小，且不易对管路和设备产生腐蚀。
下面结合附图对本发明做更详细的描述：
结合附图1，本系统包括实验台架、流动系统、激光系统、实验本体和采集系统五个部分。实验台架由铝合金以及合金角件搭建及连接。流动系统包括主循环回路系统以及安注系统：由1循环水箱，2球阀，3增压泵，5止回阀，4球阀，6流量计，7止回阀，8球阀，9实验本体以及相应管道组成的主循环回路，提供调试流量，并且保持9实验本体内压力高于大气压，9实验本体上方有两个10排气孔，用于实验开始时排除管道及实验本体内的气体；安注系统由16再循环水箱，17球阀，18球阀，19蔗糖溶液水箱，20增压泵，21流量计，22三通阀，23止回阀，24球阀组成，安全注射开始时，切换22三通阀，使蔗糖溶液注入9实验本体，安注过程结束后，切换再循环水箱16，冲洗实验管道，冲洗完成后，切换到蔗糖溶液水箱19，使其自循环，然后开始下一组实验。激光系统由14，15两台激光器组成，对称的激光照射形成一个观测的二维平面。实验本体9由有机玻璃制成，可视化效果好，是实验的观测区域。采集系统由12高速摄影仪，13计算机以及连接的线路组成，安注过程中，高速摄影仪12记录实验的现象，并将数据存储到计算机13中。进一步，由25球阀以及26止回阀，及27增压泵，28球阀和29球阀组成的另一回路，可以更加真实的模拟堆芯四进四出的设计结构，使得实验更加接近真实情况。
结合附图2，图2所示为拍摄时的光路，由33，34两台激光器对称照射形成拍摄平面，激光器的高度由42、43激光器升降台精密控制。31高速摄像机记录需要观测的35下降段环形区域，并传输给计算机32。
结合附图3，附图3为实验本体的剖面图。36方形水箱中充满去离子水，可以有效补偿激光的折射。37流量分配孔板的设置是为了使实验本体更加真实接近于真实堆芯结构。实验时，上下两侧的进水管可以同时开启，也可以只开启单侧，流体由下侧管道流出本体。
结合附图4，由于39方形水箱和38实验本体间的水层的存在，使得40原本会由实验本体相切位置射出的激光，由41折射进入实验本体，达到了折射率补偿的作用。
Claims (8)
1.一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，包括实验台架、流动系统、激光系统、实验主体和采集系统，流动系统包括主循环回路系统和安注系统，主循环回路系统包括循环水箱(1)、第一球阀(2)、第一增压泵(3)、止回阀(5)、第二球阀(4)、第一流量计(6)、第一止回阀(7)、第三球阀(8)、第七球阀(25)、第三止回阀(26)、第三增压泵(27)、第八球阀(28)、第九球阀(29)、第十球阀(30)以及相应的管道，实验主体包括实验本体(9)、流量分配孔板(37)、方形水箱(36)、第一排气孔(10)、第二排气孔(44)、第一进水口(45)、第二进水口(46)、出水口(47)，安注系统由再循环水箱(16)、第四球阀(17)、第五球阀(18)、蔗糖溶液水箱(19)、第二增压泵(20)、第二流量计(21)、三通阀(22)、第二止回阀(23)、第六球阀(24)组成，激光系统由第一激光器(14)、第二激光器(15)、第一激光器升降台(42)、第二激光器升降台(43)组成，采集系统由高速摄影仪(12)、计算机(13)以及连接的线路组成，其特征在于：循环水箱(1)左侧上支路依次连接第二球阀(4)、止回阀(5)，左侧下支路依次连接第一球阀(2)、第一增压泵(3)，第一增压泵(3)、止回阀(5)通过第十球阀(30)与第一流量计(6)连接，第一流量计(6)另一侧依次连接第一止回阀(7)、第三球阀(8)、第一进水口(45)，循环水箱(1)右侧上支路依次连接第七球阀(25)、第三止回阀(26)，右侧下支路依次连接第三增压泵(27)、第八球阀(28)，第八球阀(28)、第三止回阀(26)通过第九球阀(29)与第二进水口(46)连接，再循环水箱(16)通过第四球阀(17)与第二增压泵(20)连接，蔗糖溶液水箱(19)左侧支路通过第五球阀(18)与第二增压泵(20)连接，第二增压泵(20)另一侧依次连接第二流量计(21)、三通阀(22)、第二止回阀(23)、第六球阀(24)、第一进水口(45)，蔗糖溶液水箱(19)右侧支路与三通阀(22)连接，第一激光器(14)放置于第一激光器升降台(42)上方，第二激光器(15)放置于第二激光器升降台(43)上方，第一激光器(14)与第二激光器(15)对称放置于实验主体两侧，实验主体正上方为高速摄影仪(12)，高速摄影仪(12)与计算机(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，其特征在于：实验本体(9)和方形水箱(36)由透明无色的有机玻璃制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，其特征在于：实验本体(9)和方形水箱(36)的间隔中充满去离子水。
4.根据权利要求1所述的一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，其特征在于：第一进水口(45)、第二进水口(46)同时开启，或只开启其中一个，流体由出水口(47)流出。
5.根据权利要求1所述的一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，其特征在于：第一流量计(6)、第二流量计(21)为精密电磁流量计。
6.根据权利要求1所述的一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，其特征在于：采集系统的观测方法为粒子图像测速法，高速摄影仪(12)连续拍摄示踪粒子的运动情况。
7.根据权利要求1所述的一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，其特征在于：激光系统采用双侧激光对称照射实验主体。
8.根据权利要求1所述的一种基于折射率补偿的下降段安注过程速度场测量装置，其特征在于：实验本体(9)的上部设有第一排气孔(10)，实验本体(9)和方形水箱(36)之间的上部设有第二排气孔(44)，第一排气孔(10)和第二排气孔(44)垫有密封橡胶垫。
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