CN110349687B - 一种基于折射率补偿的流场可视化测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折射率补偿的流场可视化测量的实验装置，包括主回路系统、第一冷却回路系统、第二冷却回路系统和旁通支路，旁通支路将主回路系统分割成第一部分和第二部分，第一冷却系统位于第一部分，第二冷却回路系统位于第二部分，第一部分包括液体箱、常规离心主泵和主换热器，第一冷却系统也包括主换热器，第一冷却系统通过主换热器带走常规离心主泵对流体做功产生的热量，从而对主回路系统进行控温，第二部分包括电磁流量计和试验段，第二冷却回路系统设置在电磁流量计和试验段之间，第二冷却回路系统被设置为调控试验段的流体温度，旁通支路调节通过试验段的流量。

Description

一种基于折射率补偿的流场可视化测量实验装置

技术领域

本发明涉及一种流场可视化测量技术领域，尤其涉及一种基于折射率补偿的流场可视化测量技术。

背景技术

复杂几何条件下的湍流流场可视化测量是流体力学中的难题。在复杂几何条件下，需要使用高精度的折射率补偿技术(Matched Index of Refraction，MIR)，利用高透光性的透明固体材料和液体材料，实现光学无障碍光路，使可视化测量所使用的激光能够顺利到达测量位置，实现流场可视化测量。从而避免了不透明的材料对光学测量需要的激光的遮挡，也避免与液体折射率不同的透明材料对激光的折射。在不同的应用背景下，需要使用不同的折射率补偿技术，以适应不同的测量需求。

在核反应堆中，燃料组件有多种形式，例如定位格架型棒束燃料组件、绕丝型棒束燃料组件、球形燃料组件等。不同类型核燃料组件的共同点是：复杂几何下的高雷诺数湍流流动。多种复杂几何结构的燃料组件为湍流流场的测量可视化测量带来了极大挑战。燃料组件内流场分布决定了传热的分布，并用于分析燃料组件传热设计的合理性和优缺点，从而改进和与优化核燃料的设计，从核燃料组件的设计阶段保证核燃料的安全性，并提高其经济性。因此，核燃料组件内的流动测量成为了核反应堆研究的关键问题之一。

美国约翰霍普金斯大学(The Johns Hopkins University)设计有与本技术相似的折射率补偿实验装置实验方案(参考：O.Uzol,Y.-C.Chow,J.Katz,C.Meneveau.Unobstructed particle image velocimetry measurements within anaxial turbo-pump using liquid and blades with matched refractiveindices.Experiments in Fluids 33(2002)909–919.)。该实验装置包括一台轴流式涡轮泵、整流器、电磁流量计、稳压器、冷却系统和试验段。该实验装置使用了碘化钠水溶液与有机玻璃进行折射率补偿。实验过程中，碘化钠水溶液通过轴流式涡轮泵的驱动，冷却系统、稳压器、电磁流量计、整流器，进入试验段。试验段是一个直径216毫米的泵用叶片，管道直径300毫米，最大流量是700立方米每小时。

由于碘化钠水溶液的折射率与其质量浓度和温度都呈线性函数关系，并且和质量浓度的线性关系斜率大，和温度的线性关系斜率很小，故可以利用此性质实现质量浓度粗调结合温度细调的方式，实现碘化钠水溶液的折射率连续精细可调。在实验过程中，使用管道外包覆的冷却系统控制实验装置的温度，控制精度为1℃。

此外，碘化钠水溶液在光照条件下容易和氧气反应，形成碘单质，溶解在水中呈现黄褐色，大大降低了折射率补偿实验效果；同时，碘单质溶于水后形成碘三离子(I3^-)，吸收绿色可见光，而可视化实验使用的激光大多是绿色光，故激光强度会沿着激光前进方向急剧降低，大大降低折射率补偿实验效果。因此，需要对碘化钠水溶液进行脱氧处理。在约翰霍普金斯大学折射率补偿实验装置中，使用了以下几种方法除去实验装置中的氧气。

脱氧方法如下所述。首先，脱氧处理时，维持实验装置处于低压状态，使实验装置中的气体从液体中析出，轴流式涡轮泵低速运行，缓缓地把气体驱赶进入稳压器，然后从稳压器中排入空气中。其次，完成上述步骤后，立即向稳压器中充入氮气保持实验装置的压力高于外界大气压力，防止空气进入实验装置中。每天执行脱氧处理，保持实验装置内的碘化钠水溶液处于良好的状态。

在实验装置的长期运行过程中，需要将实验装置中的碘化钠水溶液取出保存在压力容器中，以便于更换试验段，待更换试验段之后，再将碘化钠水溶液注入实验装置中。在这个过程中，难免会有氧气进入实验装置中，使得微量的碘化钠溶液氧化产生碘单质。这部分微量的碘单质可以使用化学方法除去，比如使用还原剂硼酸钠还原。

经过上述控制温度和除氧的处理，实验装置运行在24℃-25℃，62％-64％质量浓度的碘化钠水溶液条件下，碘化钠水溶液的折射率在1.49-1.50之间变化。此外，碘化钠水溶液具有轻微的腐蚀性，所有过流部分不能使用金属材料，需要使用塑料材料。

现有实验装置存在以下缺点：

1.实验装置的管道直径高达300毫米，大大超过了通常情况下核燃料组件研究需要的最大100毫米直径，大大提高了建造成本；

2.实验装置中泵的流量700立方米每小时，大大超过了通常情况下核燃料组件研究需要的最大50立方米每小时的流量，造成了实验装置功能上的浪费；

3.整个实验装置没有旁通支路，无法精确调节通过试验段的流量；

4.整流器下游无整流网，不能保证试验段进口是均匀入口速度边界条件；

5.冷却系统采用了在管道上包覆冷却水盘管的方式，来控制通过试验段的流体的温度，温度控制不够精确，导致折射率补偿效果较差；

6.实验装置中没有过滤器，无法过滤实验装置中的灰尘等杂质；

7.实验装置中没有膜式脱氧机，不能高效除去混入实验装置中的氧气；

8.使用化学还原剂的方法除去实验装置中的氧气，使碘化钠水溶液的化学成分发生变化，对碘化钠水溶液的折射率造成影响，降低了折射率补偿的效果。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可以成本更低，能够精确控制通过试验段的流体的浓度、流量和温度的实验装置。

发明内容

本发明描述一种基于碘化钠水溶液和有机玻璃的折射率补偿技术建造的可视化测量实验装置，结合激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimetry，LDV)或者粒子成像测速仪(Particle Image Velocimetry，PIV)，可用于核燃料组件的流场可视化测量。

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在更低成本的实验装置下，能够精确地控制通过试验段的流体的浓度、流量和温度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于折射率补偿的流场可视化测量的实验装置，包括主回路系统、第一冷却回路系统、第二冷却回路系统和旁通支路，旁通支路被设置为将主回路系统分割成第一部分和第二部分，第一冷却系统位于第一部分，第二冷却回路系统位于第二部分，第一部分包括液体箱、常规离心主泵和主换热器，液体箱设置在常规离心主泵和主换热器之间，第一冷却系统也包括主换热器，第一冷却系统被设置为通过主换热器带走常规离心主泵对流体做功产生的热量，从而对主回路系统进行控温，第二部分包括电磁流量计和试验段，第二冷却回路系统设置在电磁流量计和试验段之间，第二冷却回路系统被设置为调控试验段的流体温度，旁通支路被设置为调节通过试验段的流量。

进一步的，旁通支路包括过滤器和脱氧机，过滤器与脱氧机并行设置。

进一步的，第一冷却回路系统还包括冷却水箱、冷却泵、第一阀门、空气冷却塔，空气冷却塔的一端与主换热器连接，空气冷却塔的另一端与冷却水箱连接，在冷却水箱与主换热器之间还设置有冷却泵和第一阀门。

进一步的，第二冷却回路系统包括制冷机、第二阀门和辅换热器，辅换热器的一端与第二阀门连通，辅换热器的另一端与制冷机相连通。

进一步的，实验装置的工作介质为工业级碘化钠粉末配置的碘化钠水溶液，实验装置被设置为使用工业级有机玻璃进行折射率补偿。

进一步的，主回路系统和第一冷却回路系统、第二冷却回路系统的所有过流部分材料被设置为使用塑料材料；第一阀门和第二阀门被设置为使用氯化聚氯乙烯材料；液体箱、常规离心主泵、电磁流量计、主换热器和辅换热器被设置为使用内衬氟塑料的不锈钢材料。

进一步的，主回路系统的第二部分还包括压力表和热电偶，热电偶的一端与试验段相连通，热电偶的另一端与压力表相连通，压力表被设置为使用氟塑料衬层将碘化钠水溶液和金属膜片隔离，热电偶被设置为使用CPVC衬层将碘化钠水溶液和热电偶探头隔离。

本发明还提供一种基于折射率补偿的流场可视化测量的方法，该方法是基于上述的实验装置，具体包括如下步骤：

1)除去实验装置中的氧气；

2)打开常规离心主泵，碘化钠水溶液经由液体箱驱动进入旁通支路、试验段、主换热器和辅换热器，再次回到液体箱；

3)通过调节阀调节通过试验段的碘化钠水溶液的流量，通过电磁流量计检测通过试验段的碘化钠水溶液的体积流量；

4)开启第一冷却回路系统，使冷却水通过主换热器带走常规离心主泵对流体做功产生的热量，调节第一阀门控制主回路系统的温度；

5)待温度趋于稳定后，开启第二冷却回路系统，使制冷机产生的冷却水通过辅换热器带走主回路系统的残余热量，控制通过试验段的碘化钠水溶液的温度。

进一步的，步骤1)为在实验装置首次注入碘化钠那水溶液之前，向实验装置中缓慢注入氮气，赶走实验装置中的空气，随后配制碘化钠水溶液，向液体箱中注入碘化钠水溶液，继而向液体箱中注入氮气，保证实验装置中的压力高于外界环境大气压力，防止外界空气进入实验装置，随即启动脱氧机，将实验装置中的残余氧气除去。

进一步的，试验段通过的碘化钠水溶液的温度控制在23.9℃-24.1℃范围，碘化钠水溶液的折射率变化限制在2.25×10^-5。

本发明的技术效果：

1.减小实验装置管道尺寸到直径100毫米，降低实验装置的尺寸，以便于在较低成本条件下实现高雷诺数实验；

2.实验装置采用流量为60立方米每小时的离心泵，满足核燃料组件实验研究的需要，降低实验装置中泵、流量计等设备的成本；

3.在实验装置中添加一个旁通支路，用于精确调节通过试验段的流量；

4.在整流器的下游安装四道整流网，并安装一个面积比为4:1的收缩段，用于保证试验段进口均匀入口速度边界条件；

5.冷却系统采用两套冷却系统，一套由冷却水泵、卧式管壳式换热器、空气冷却塔组成，用于粗调试验段温度；一套由制冷机和小型立式管壳式换热器组成，用于精调试验段温度；两套冷却系统协同工作，保证温度控制的精度；

6.在实验装置的旁通支路上添加过滤器，过滤实验装置中的杂质；

7.在实验装置的旁通支路上添加膜式脱氧机，除去实验装置中的氧气，防止碘化钠水溶液氧化变黄，并且不影响碘化钠水溶液的化学成分，保证折射率补偿的实验效果；

8.不使用化学方法除去实验装置中的氧气，避免了碘化钠水溶液化学成分的变化，保持实验装置中碘化钠水溶液的成分和纯度。

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是碘化钠水溶液的折射率与温度的线性关系折线图；

图2是碘化钠溶液折射率与碘化钠质量分数线性关系；

图3是本发明的一个较佳实施例的基于折射率补偿的流场可视化测量实验装。

其中，1-液体箱，2-常规离心主泵，3-电磁流量计，4-试验段，5-压力表，6-热电偶，7-主换热器，8-旁通支路，81-过滤器，82-脱氧机，9-第一冷却回路系统，91冷却水箱，92-冷却泵，93-第一阀门，94-空气冷却塔，10-第二冷却回路系统，101-制冷机，102-第二阀门，103-辅换热器。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明使用工业级碘化钠粉末配置的碘化钠水溶液作为工作介质，与工业级有机玻璃进行折射率补偿。工业级碘化钠水溶液的折射率与其质量浓度和温度呈现线性关系：

n_NaI(T,c)＝1.2146-(2.25×10^-4℃^-1)T+(0.4566)c

如图1和2所示，使用质量浓度为61.5％的碘化钠水溶液，在温度24.0℃时能够与有机玻璃折射率(1.490)相等，实现折射率精确补偿。由于碘化钠水溶液的折射率与其温度呈斜率极小的线性函数关系，故可实现折射率的连续精确可调，实现与有机玻璃的折射率精确补偿。

62％碘化钠水溶液的运动粘性系数1.2x10^-6m²/s，与水的运动粘性系数8.97x10^{- 7}m²/s(25℃)很接近，碘化钠水溶液的运动粘性系数仅比水的运动粘性系数高33.8％。因此，很容易在小尺寸(截面尺寸66x66mm)试验段上实现高雷诺数流动(5x10⁴)，模拟核反应堆内的流动状态，也降低了对实验装置的设备要求，主泵、电磁流量计、阀门等设备尺寸都减小。

基于上述碘化钠水溶液的性质，本发明提供了一种基于折射率补偿的流场可视化测量实验装置。如图3所示，包括主回路系统、第一冷却回路系统9、第二冷却回路系统10和旁通支路8。其中，主回路系统包括液体箱1、液位计、常规离心主泵2、调节阀、电磁流量计3、试验段4、压力表5、热电偶6和主换热器7。第一冷却回路系统9包括冷却水箱91、冷却泵92、第一阀门93、空气冷却塔94和主换热器7。旁通支路8包括过滤器811和脱氧机82。第二冷却回路系统10包括制冷机101、第二阀门102和辅换热器103。

液体箱的容积为0.75立方米。常规离心主泵(Pump)的流量为60立方米每小时。

考虑碘化钠水溶液的轻微腐蚀性，所有过流部分材料使用塑料材料。其中，管道、调节阀、阀门使用的材料为氯化聚氯乙烯(chlorinated polyvinyl chloride，CPVC)；液体箱1、液位计、常规离心主泵2、电磁流量计3、主换热器7和辅换热器103使用内衬氟塑料的不锈钢材料制造；压力表5使用了氟塑料衬层将碘化钠水溶液和金属膜片隔离开；热电偶6使用了CPVC衬层，将金属的热电偶探头和碘化钠水溶液隔离开。因此，实验装置的主回路系统中所有接触碘化钠水溶液的过流部分都使用了塑料材料，避免了碘化钠水溶液对金属材料的腐蚀造成的问题。

为防止碘化钠水溶液的氧化，在实验装置首次注入碘化钠那水溶液之前，向实验装置中缓慢注入氮气，赶走实验装置中的空气。随后配制碘化钠水溶液，向实验装置中注入碘化钠水溶液。然后，向液体箱中注入氮气，保证实验装置中的压力高于外界环境大气压力，防止外界空气进入实验装置。随即启动膜式脱气机，将实验装置中的残余氧气除去。在实验装置的长期运行中，每天启动膜式脱气机除去氧气。在更换试验段之前，将碘化钠水溶液排入液体箱中储存；更换试验段之后，按照前述的首次注入碘化钠水溶液的操作流程，除去实验装置内的氧气。然后开展相关实验研究。

实验过程中，先开启主回路系统的常规离心主泵2，液体箱1驱动碘化钠水溶液进入旁通支路8、试验段4、主换热器7和辅换热器103，最终回到液体箱1。通过调节阀调节通过试验段4的流量，通过电磁流量计3监测通过试验段的流体体积流量。随后，开启第一冷却回路系统9，使冷却水通过主换热器7，带走实验装置内由于常规离心主泵2对流体做功产生的热量，通过调节阀门控制主回路系统的温度。待温度趋于稳定后，再开启第二冷却回路系统10，使制冷机101生产的冷却水通过辅换热器103，带走主回路系统的残余热量，精确控制通过试验段4的流体温度。在第一冷却回路系统9和第二冷却回路系统10的共同作用下，通过试验段4的流体温度可以控制在23.9-24.1℃范围，碘化钠水溶液的折射率变化限制在2.25x10^-5，大大提高了温度控制精度，提高了折射率补偿的精度。

使用工业级碘化钠配制碘化钠水溶液，与工业级有机玻璃进行折射率补偿，即可实现高精度的折射率补偿；如果采用纯度更高的分析纯碘化钠和光学有机玻璃，则折射率补偿效果更佳。

为防止碘化钠水溶液的轻微腐蚀性对金属材料的侵蚀，所有与碘化钠水溶液接触的过流部分，使用塑料材料，防止了碘化钠水溶液轻微腐蚀性的影响，此项技术与使用的塑料或者橡胶等非金属材料的种类无关。

为防止碘化钠水溶液的氧化，使用了膜式脱氧机82除去实验装置中的氧气，防止碘化钠水溶液的氧化变质；使用脱氧机82的方法，与脱氧机的种类无关。

为了精确控制实验装置的温度，使用了第一冷却回路系统9和精第二冷却回路系统10协同控制实验装置的温度，温度控制精度可以达到0.1℃，折射率变化控制在2.25x10^-5，实现了高精度的折射率补偿；这种使用第一冷却回路系统9和第二冷却回路系统10协同调节实验装置的温度的方法，与具体的冷却系统构成无关。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于折射率补偿的流场可视化测量的实验装置，其特征在于，包括主回路系统、第一冷却回路系统、第二冷却回路系统和旁通支路，

所述旁通支路被设置为将所述主回路系统分成第一部分和第二部分，所述第一冷却回路系统位于所述第一部分，所述第二冷却回路系统位于所述第二部分，

所述第一部分包括液体箱、常规离心主泵和主换热器，所述液体箱设置在所述常规离心主泵和所述主换热器之间，所述第一冷却回路系统也包括所述主换热器，所述第一冷却回路系统被设置为通过所述主换热器带走所述常规离心主泵对流体做功产生的热量，从而对所述主回路系统进行控温，

所述第二部分包括电磁流量计和试验段，所述第二冷却回路系统设置在所述电磁流量计和所述试验段之间，所述第二冷却回路系统被设置为调控所述试验段的流体温度，

所述旁通支路被设置为调节通过所述试验段的流量；

所述旁通支路包括过滤器和脱氧机，所述过滤器与所述脱氧机并行设置；

所述第一冷却回路系统还包括冷却水箱、冷却泵、第一阀门、空气冷却塔，所述空气冷却塔的一端与所述主换热器连接，所述空气冷却塔的另一端与所述冷却水箱连接，在所述冷却水箱与所述主换热器之间还设置有所述冷却泵和所述第一阀门；

所述第二冷却回路系统包括制冷机、第二阀门和辅换热器，所述辅换热器的一端与所述第二阀门连通，所述辅换热器的另一端与所述制冷机相连通；

所述实验装置的工作介质为工业级碘化钠粉末配置的碘化钠水溶液，所述实验装置被设置为使用工业级有机玻璃进行折射率补偿。

2.如权利要求1所述一种基于折射率补偿的流场可视化测量的实验装置，其特征在于，所述主回路系统和所述第一冷却回路系统、所述第二冷却回路系统的所有过流部分材料被设置为使用塑料材料；所述第一阀门和所述第二阀门被设置为使用氯化聚氯乙烯材料；所述液体箱、所述常规离心主泵、所述电磁流量计、所述主换热器和所述辅换热器被设置为使用内衬氟塑料的不锈钢材料。

3.如权利要求2所述一种基于折射率补偿的流场可视化测量的实验装置，其特征在于，所述主回路系统的第二部分还包括压力表和热电偶，所述热电偶的一端与所述试验段相连通，所述热电偶的另一端与所述压力表相连通，所述压力表被设置为使用氟塑料衬层将碘化钠水溶液和金属膜片隔离，所述热电偶被设置为使用CPVC衬层将碘化钠水溶液和热电偶探头隔离。

4.一种基于折射率补偿的流场可视化测量的方法，其特征在于，所述方法是基于如权利要求3所述一种基于折射率补偿的流场可视化测量的实验装置，具体包括如下步骤：

1)除去所述实验装置中的氧气；

2)打开常规离心主泵，碘化钠水溶液经由液体箱驱动进入旁通支路、试验段、主换热器和辅换热器，再次回到所述液体箱；

3) 通过调节阀调节通过所述试验段的碘化钠水溶液的流量，通过所述电磁流量计检测通过所述试验段的碘化钠水溶液的体积流量；

4) 开启第一冷却回路系统，使冷却水通过所述主换热器带走所述常规离心主泵对流体做功产生的热量，调节所述第一阀门控制所述主回路系统的温度；

5) 待温度趋于稳定后，开启第二冷却回路系统，使制冷机产生的冷却水通过所述辅换热器带走主回路系统的残余热量，控制通过所述试验段的碘化钠水溶液的温度。

5.如权利要求4所述一种基于折射率补偿的流场可视化测量的方法，其特征在于，步骤1）为在所述实验装置首次注入碘化钠水溶液之前，向所述实验装置中缓慢注入氮气，赶走实验装置中的空气，随后配制碘化钠水溶液，向所述液体箱中注入碘化钠水溶液，继而向所述液体箱中注入氮气，保证实验装置中的压力高于外界环境大气压力，防止外界空气进入实验装置，随即启动脱氧机，将所述实验装置中的残余氧气除去。

6.如权利要求5所述一种基于折射率补偿的流场可视化测量的方法，其特征在于，所述试验段通过的所述碘化钠水溶液的温度控制在23.9℃-24.1℃范围，所述碘化钠水溶液的折射率变化限制在2.25×10^-5。

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