CN109974967A - 一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统，实验装置包括变频器、电动机、减速机、联轴器、曲柄、本体固定角铁、本体固定底座、支撑架、轴承座、高速摄像机、连续激光器等。本发明的实验装置可以实现稳压器内自由液面的实时捕捉，以及评估由摇摆引起对容器壁面的抨击载荷。本发明解决了传统液面后处理误差较大的难题，修正差压式液位测量方法，可为核电站稳压器收到摇摆激励下的研究提供全方面的实验基础，并能为浮动核电站稳压器的水位测量修正、数值模拟等方面做出极大程度的优化。本发明可以精确的模拟多种摇摆工况，操作简便、快捷，而且成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统，属于流体力学、核安全分析、自动化设备等领域。
背景技术
对于在陆地工作的核电站，运行在海上的核动力舰艇、浮动核电站等，由于可能遭受地震、风浪、海啸等影响，具有自由液面的稳压器、蒸汽发生器等设备会发生严重的晃荡现象。晃荡现象会导致自由液面的剧烈波动，这些波动的自由液面一方面会对容器壁面以及容器内设备产生力学冲击，威胁结构稳定性，另一方面波动的自由液面还会产生复杂的流体力学现象，由于目前的核动力设备内主要采用差压式液位计测量方法反馈的水位测量信号来监测稳压器、蒸汽发生器等设备内的真实水位，摇摆引发的晃荡现象引入的冲击应力会导致测量的水位值偏离实际水位，降低设备水位测量的精度。所以液位测量结果的准确与否将会直接关系到整个核动力系统的安全性与经济性。因此研究摇摆条件下稳压器容器内部自由液面波动于压力波动之间的关系式至关重要的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种研究工况广泛，液位测量准确且对流场无干扰，结果分析准别，而且成本低廉，搭建方便，操作简单，用于摇摆条件下稳压器内液位的实时准确测量以及侧壁面的抨击载荷的评估系统。
本发明的目的是这样实现的：包括两个支撑架、通过连接件设置在两个支撑架之间的可摆动的实验台架、摇摆激励输入系统、实验本体部分、光路成像系统，摇摆激励输入系统包括高度调整架、设置在高度调整架上的电机、通过联轴器与电机轴连接的减速机、与减速机输出端连接的曲柄、与曲柄端部铰接的连杆一、与连杆一端部铰接的连杆二，与连杆二端部与连接件连接，实验本体部分包括实验本体固定座和设置在实验本体固定座上的实验本体，实验本体底部设置有两个贴片式测压孔、侧壁设置有一个贴片式测压孔，每个贴片式测压孔中设置一贴片式压力传感器，光路成像系统包括激光支架、设置在激光支架上的激光升降平台、设置在激光升降平台上的连续激光器、升降台、设置在升降台上的高速摄影仪和广角滤镜镜头，升降台、实验本体固定座均设置在实验台架上。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.设置在实验本体固定座上的实验本体是指：在实验本体固定座上设置有四根实验本体固定角铁，四根实验本体固定角铁之间设置有钢圈，实验本体设置在钢圈中。
2.通过连接件设置在两个支撑架之间的可摆动的实验台架是指在每个支撑架上端设置有轴承座，每个轴承座中设置有一连接件，两个连接件之间设置有实验台架。
3.通过连接件设置在两个支撑架之间的可摆动的实验台架是指在每个支撑架上端设置有轴承座，每个轴承座中设置有一连接件，两个连接件之间设置有实验台架。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的是一种适用于研究产生摇摆激励下浮动核反应堆稳压器真实水位测量的装置，运用先进的可视化技术可对实验本体进行自由液面的实时捕捉及测量摇摆引起的抨击载荷。本发明采用曲柄连接结构式的机械式摇摆设备，通过变频器、电机、减速机、曲柄连杆结合的方法来实现稳压器容器特定规律的摇摆运动。通过更换不同轴心距轴孔的曲柄来实现不同的摇摆角度，通过电机的转速与减速机的速比调节台架的摇摆周期。采用这种方法，可以模拟多种摇摆工况，操作方便、快捷，而且成本低廉；本发明中采用了PLIF(激光诱导荧光)技术，保证了为高速摄影提供足够强度的光源，并且结合滤光镜头的应用提高了图像后处理的精度并降低了识别噪声；可用于研究小型浮动反应堆及核动力舰船受海洋条件影响的实验研究；通过固定高速摄影仪与台架实现同样的摇摆规律运动，保证了采集图像的角度不变，方便后处理与分析。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的实验本体示意图；
图3为本发明的数据采集系统结构示意图。
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。
本发明包括实验本体、驱动系统、液位测量系统、压力采集系统及连接支撑件五个部分。实验本体也即是模拟稳压器为有机玻璃制成的高透明度缩比模型，其四面可视化，可以方便光路的布置与相机的采集，在其底部安装有贴片式的压力传感器，可以在不干扰流场的条件下实现压力波动的精确测量。实验采用三相变频器为电机传输频率信号，通过联轴器将电机减速机两轴相连；减速机的主轴带动曲柄连杆机构实现往复的摇摆激励，最终通过连接件与连杆的转动传递完成实验平台的摇摆工况。摇摆角度的控制通过更换不同轴心距的曲柄实现7°,15°,22.5°典型海洋条件的摇摆工况,摇摆周期通过变频器控制电机转速实现3-30s典型海洋条件下的摇摆周期。利用PLIF(激光诱导荧光技术)技术捕捉自由液面的方法，其特征是：由于液体与周围环境的色度差异较大，所以在后处理中不会出现图像识别错误等问题。
结合图1，本系统包括摇摆激励输入系统、实验本体、光路成像系统三个部分。其中摇摆激励输入系统中的主要设备包括带有高度调整架1、电机2、电机轴3、联轴器4、减速机5、曲柄6、连杆一7、连杆二8、支撑架11、轴承座12、连接件13；实验本体部分主要包括实验本体固定角铁9、实验本体固定底座10、实验本体17、贴片式测压孔18、螺栓固定孔19；光路成像系统包括升降台14、高速摄影仪15、广角滤镜镜头16、激光支架20、激光升降平台21、连续激光器22；实验为采用三相变频器为电机2传输频率信号，通过联轴器4将电机2减速机5两轴相连；减速机5的主轴带动曲柄6连杆一7、连杆二8实现往复的摇摆激励，最终通过连接件13与连杆二8的转动传递完成实验平台的摇摆工况。与此同时，连续激光器22通过激光支架21发射面型激光激发实验本体17内的罗丹明B溶液。高速摄影仪15固定于升降台14上和要摆台进行同样角速度的运动。实验本体17内的观测画面经过广角滤镜镜头16之后被高速摄影仪15捕获，并将图像数据储存。
结合图2，实验本体17为由螺栓固定孔19将上下有机玻璃体连接而成。本实验本体为稳压器缩比模型，通过向实验本体17中加入罗丹明B溶液来实现运用PLIF技术的液面识别。底部及侧壁打有三个贴片式测压孔18用于研究横荡现象对横荡激励下压差液位计接收到的压力信号。
结合图3，在本发明中，按照所需要的海洋条件摇摆的运动规律，更换对应摇摆角度所需的不同位置轴孔的曲柄6，在变频器中输入所需的摇摆速度，电机驱动器根据上述参数决定向电机2的供电电压，从而控制电机2带动减速机转动，实现稳压器容器17特定规律的摇摆运动。高速摄影仪15与实验台架固定在一起，与台架做同样规律的摇摆运动，保证运动过程中图像的角度不变，便于后处理和分析，便于图像的采集，处理和分析。贴片式压力传感器设置在测压孔中，保证流体垂直作用于压力触点，保证测量的准确性，并通过采集系统进行保存。
本发明提供的是一种研究摇摆条件下自由液面波动，水位测量以及壁面抨击载荷的测量装置。先进的可视化技术应用到本装置中，主要是为激光的射入，以及高速摄像机的拍摄提供具有时间分辨率的图像数据。自由液面的捕捉是通过在液体内倒入适量的罗丹明B荧光剂，当片状激光射入装置内的液体时，荧光剂由基态被激发至激发态，随后释放出光子产生荧光；通过滤光镜，高速摄像机只可识别罗丹明B所激发的荧光。拍摄区域与周围环境较大的色度差，为后期液位识别提供了良好的辨识度，降低普通拍摄所产生的误差。通过将变送器探头插入至与内壁垂直，来实验壁面与底部的压力测量。1、贴内壁式测压方式，不改变装置内部结构，因此不会对内部的流动造成影响，保证模拟实验的准确性。2、该装置通过高速摄影与获得的图像数据通过边界识别算法，可以提取任意时刻自由液面的波动情况，用于两相流自由液面捕捉算法的改进，提供实验与模拟对比的最根本基础。
本发明提供的是一种摇摆条件下核电站稳压器中液位及压力测量的可视化装置，实验装置包括变频器、电动机、减速机、联轴器、曲柄、本体固定角铁、本体固定底座、支撑架、轴承座、高速摄像机、连续激光器等。本发明的实验装置可以实现稳压器内自由液面的实时捕捉，以及评估由摇摆引起对容器壁面的抨击载荷。本发明解决了传统液面后处理误差较大的难题，修正差压式液位测量方法，可为核电站稳压器收到摇摆激励下的研究提供全方面的实验基础，并能为浮动核电站稳压器的水位测量修正、数值模拟等方面做出极大程度的优化。本发明可以精确的模拟多种摇摆工况，操作简便、快捷，而且成本低廉。
Claims (5)
1.一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统，其特征在于：包括两个支撑架、通过连接件设置在两个支撑架之间的可摆动的实验台架、摇摆激励输入系统、实验本体部分、光路成像系统，摇摆激励输入系统包括高度调整架、设置在高度调整架上的电机、通过联轴器与电机轴连接的减速机、与减速机输出端连接的曲柄、与曲柄端部铰接的连杆一、与连杆一端部铰接的连杆二，与连杆二端部与连接件连接，实验本体部分包括实验本体固定座和设置在实验本体固定座上的实验本体，实验本体底部设置有两个贴片式测压孔、侧壁设置有一个贴片式测压孔，每个贴片式测压孔中设置一贴片式压力传感器，光路成像系统包括激光支架、设置在激光支架上的激光升降平台、设置在激光升降平台上的连续激光器、升降台、设置在升降台上的高速摄影仪和广角滤镜镜头，升降台、实验本体固定座均设置在实验台架上。
2.根据权利要求1所述的一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统，其特征在于：设置在实验本体固定座上的实验本体是指：在实验本体固定座上设置有四根实验本体固定角铁，四根实验本体固定角铁之间设置有钢圈，实验本体设置在钢圈中。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统，其特征在于：实验本体内加有罗丹明B溶液。
4.根据权利要求1或2所述的一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统，其特征在于：通过连接件设置在两个支撑架之间的可摆动的实验台架是指在每个支撑架上端设置有轴承座，每个轴承座中设置有一连接件，两个连接件之间设置有实验台架。
5.根据权利要求3所述的一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统，其特征在于：通过连接件设置在两个支撑架之间的可摆动的实验台架是指在每个支撑架上端设置有轴承座，每个轴承座中设置有一连接件，两个连接件之间设置有实验台架。
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