CN110729060A - 一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，包括位于棒束通道外壳内的棒束元件、棒束通道，棒束通道外壳上设置可视窗；棒束通道外壳底部连接固定法兰盘，固定法兰盘用于固定棒束元件并能够使工作介质流入棒束通道内；固定法兰盘上表面设置若干针头，固定法兰盘内设置与所有针头相连通的流道，还包括向流道内注入示踪剂的注入系统。本发明用以解决现有技术中尚无适用于运动条件下棒束通道内流迹可视化实验的装置的问题，实现用于棒束通道内单相流动流迹可视化实验，获取不同运动条件棒束通道内单相流动流迹特性，以便研究运动条件对棒束通道内层流和湍流过程的影响规律，加深对运动条件下棒束通道内流动传热机理的认识的目的。

Description

一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置及方法

技术领域

本发明涉及核电领域，具体涉及一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置及方法。

背景技术

浮动式核电站及船舶在航行中受风浪影响使系统内的工质流动处于摇摆、升潜等运动条件下，此时，单相流动系统时刻受运动条件引起的切向力、离心力、科氏力等附加瞬变外力场作用，这些附加瞬变外力场的共同作用使得通道内单相流动传热规律以及气水两相流流动特性发生改变，进而影响核动力装置的安全性和经济性。因此，运动条件下单相流流型流迹特性及其转变研究有着重要的工程应用价值。

棒束通道是反应堆堆芯的典型结构形式，棒束通道可划分为边通道、角通道及中心通道，不同子通道间会发生流体交混及迁移，这使得棒束通道内流动传热特性与简单通道完全不同，如何准确获得棒束通道内流动传热特性的前提是需要获得棒束通道内工质流动流迹特性及其转变规律，在运动条件下，工质会产生附加的瞬变加速度，这有可能导致单相流动流迹特性发生变化，进而使层流及湍流转变规则发生改变，而在其他参数相同的条件下，不同的两相流型会产生完全不同的流动和传热结果，从而对系统的流动传热特性产生影响。因此，在确定瞬变外力场作用下单相流系统的流动和传热特性时，应该首先知道单相流的流型及其转变规律，这样才能合理地选用适当的理论公式描述流动状况。然而，由于受限于运动条件下实验测量技术，目前仅有限的文献对运动条件下传热及流动特性进行了报道，尚无相关适用于运动条件下棒束通道内流迹可视化实验装置及实验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置及方法，以解决现有技术中尚无适用于运动条件下棒束通道内流迹可视化实验的装置的问题，实现可用于棒束通道内单相流动流迹可视化实验，获取不同运动条件棒束通道内单相流动流迹特性，以便研究运动条件对棒束通道内层流和湍流过程的影响规律，加深对运动条件下棒束通道内流动传热机理的认识的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，包括位于棒束通道外壳内的若干棒束元件、棒束通道，所述棒束通道外壳上设置可视窗；所述棒束通道外壳底部连接固定法兰盘，所述固定法兰盘用于固定棒束元件并能够使工作介质流入棒束通道内；所述固定法兰盘上表面设置若干针头，每个针头对应一个棒束通道，所述固定法兰盘内设置与所有针头相连通的流道，还包括向所述流道内注入示踪剂的注入系统。

基于现有技术中尚无适用于运动条件下棒束通道内流迹可视化实验的装置的背景，本发明提出一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，棒束元件位于棒束通道外壳内，在棒束元件之间、棒束元件与外壳内壁之间则会形成棒束通道。棒束通道外壳底部连接固定法兰盘，固定法兰盘用于固定棒束元件并能够使工作介质流入棒束通道内，即使本申请中的固定法兰盘不会影响工作介质正常的自下而上流入棒束通道中。本装置的固定法兰盘内部具有流道，流道与所有的针头都相连通，每个针头均对应一个棒束通道，即是每个棒束通道内都具有一个针头，针头与棒束通道之间一一匹配，针头用于向棒束通道内注入示踪剂。示踪剂的来源是注入系统，所述注入系统将示踪剂注入至固定法兰盘内的流道中，再通过流道将示踪剂从各针头处注入至各棒束通道中。各针头同时与流道连通，可认为各针头是并联在流道与棒束通道之间的，因此在针头型号规格等一致的前提下，能够确保各针头的注入量、注入率相等且稳定。示踪剂进入棒束通道后必然与工作介质混合，共同向上流动，而本装置在棒束通道外壳上设置可视窗，因此研究人员即可通过在可视窗处观测示踪剂流迹，进而判断棒束通道流体的状态，从而满足实验观测需求。棒束通道在不同运动参数和不同热工参数条件下流体呈现不同流迹流态，工作人员可为棒束通道外壳提供需要的运动背景进行模拟，从而可以同步获得宏观可视化流型及其转变特性等实验数据，进而探明运动条件的影响规律，对揭示运动条件下单相流动传热机理有重要价值。

所述注入系统包括示踪剂储箱，所述示踪剂储箱通过管路从固定法兰盘的下表面与所述流道连通，所述示踪剂储箱的位置高于所述流道的位置。流道通过管路联接示踪剂储箱，依靠储箱与棒束通道间的高差，利用重力自动将从示踪剂注入棒束通道中，实验过程中工作人员只需及时向示踪剂储箱中补充示踪剂即可，无需用泵等耗能提供动力。

所述示踪剂储箱与流道之间设置有阀门。设置阀门便于启动或关闭示踪剂的注入过程。

所述固定法兰盘的上表面设置若干开孔，所述开孔与所述棒束通道一一对应，每个开孔均位于相对应的棒束通道内，每个开孔上均安装针头。

若干棒束元件呈方形阵列分布；一个棒束元件与棒束通道外壳的拐角之间所形成的棒束通道为角通道；相邻两个棒束元件与棒束通道外壳的侧壁之间所形成的棒束通道为边通道；四个方形分布的棒束元件之间所形成的棒束通道为中心通道；所述角通道、边通道、中心通道内均设置有针头。

优选的，所述流道与每个针头之间均设置有调节阀和/或流量计。便于实现对各针头的整体控制或单个控制，进而精准获得示踪剂注入量与注入位置，便于实验人员模拟更多复杂的、不同的工况下的棒束通道内流动轨迹，进而扩大本申请的适用范围。

一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，包括以下步骤：

(a)通过注入系统将示踪剂注入至棒束通道外壳底部的固定法兰盘内；

(b)示踪剂从固定法兰盘内的流道中向并联的各针头流动，通过各针头进入各棒束通道中；进入各棒束通道中的示踪剂与工作介质混合，共同向上流动；

(c)通过棒束通道外壳的可视窗处观测示踪剂流迹。

本方法将示踪剂注入棒束通道子通道内，实现运动条件下棒束通道内单相流动流迹可视观测，从宏观和微观角度对单相流动流迹流态及流迹转变开展研究以探明运动条件的影响规律，丰富运动条件下棒束通道内流动传热机理研究内涵。

优选的，各针头的示踪剂注入量独立控制。

优选的，注入系统通过高差自动将示踪剂储箱内的示踪剂注入至固定法兰盘内的流道中。

优选的，观测示踪剂流迹的过程中，为棒束通道外壳模拟不同运动参数和/或不同热工参数。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置及方法，解决了现有技术中尚无适用于运动条件下棒束通道内流迹可视化实验的装置的问题，实现可用于棒束通道内单相流动流迹可视化实验，获取不同运动条件棒束通道内单相流动流迹特性，以便研究运动条件对棒束通道内层流和湍流过程的影响规律，加深对运动条件下棒束通道内流动传热机理的认识的目的。

2、本发明通过研制运动条件下棒束通道流迹可视实验装置，并提出流迹可视化实验方法，可以同步获得宏观可视化流型及其转变特性等实验数据，进而探明运动条件的影响规律，对揭示运动条件下单相流动传热机理有重要价值。

3、本发明通过示踪剂储箱与棒束通道间高差自动将从示踪剂注入棒束通道中，并联注入的各针头可实现整体控制或单根控制精准获得示踪剂注入量，从棒束通道正面及侧面对单相流动流迹及流迹转变进行可视化研究，

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中各针头在固定法兰盘上表现的分布示意图；

图3为本发明具体实施例中棒束通道外壳内的横截面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-棒束通道外壳，2-可视窗，3-棒束通道，4-针头，5-固定法兰盘，6-流道，7-示踪剂储箱，8-阀门，9-棒束元件，10-角通道，11-边通道，12-中心通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图3所示的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，包括位于棒束通道外壳1内的若干棒束元件9、棒束通道3，所述棒束通道外壳1上设置可视窗2；所述棒束通道外壳1底部连接固定法兰盘5，所述固定法兰盘5用于固定棒束元件9并能够使工作介质流入棒束通道3内；所述固定法兰盘5上表面设置若干针头4，每个针头4对应一个棒束通道3，所述固定法兰盘5内设置与所有针头4相连通的流道6，还包括向所述流道6内注入示踪剂的注入系统。

优选的，所述固定法兰盘5的上表面设置若干开孔，所述开孔与所述棒束通道3一一对应，每个开孔均位于相对应的棒束通道3内，每个开孔上均安装针头4。若干棒束元件9呈方形阵列分布；一个棒束元件9与棒束通道外壳1的拐角之间所形成的棒束通道3为角通道10；相邻两个棒束元件9与棒束通道外壳1的侧壁之间所形成的棒束通道3为边通道11；四个方形分布的棒束元件9之间所形成的棒束通道3为中心通道12；所述角通道10、边通道11、中心通道12内均设置有针头4。

优选的，所述流道6与每个针头4之间均设置有调节阀和/或流量计。

本实施例中，所有针头4的型号规格等均一致。

本装置能够满足不同运动条件下棒束通道内单相流动流迹可视拍摄需求。实验过程中，工作介质与示踪剂混合后不同流动，通过在可视窗观测示踪剂流迹，可判断棒束通道流体的状态，从而满足实验观测需求。

实施例2：

如图1至图3所示的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，棒束通道外壳1内装配棒束元件9，外壳1侧面设置可视化窗口，棒束通道构成角通道10、边通道11及中心通道12等不同构型的子通道结构，将固定法兰盘5装在棒束通道下部并与棒束通道外壳1相连接，固定法兰盘5上侧面按照不同子通道位置开孔，安装针头4，同时法兰盘内部的流道6与法兰底部开孔相通，通过管路连通示踪剂储箱7，管路设置阀门8用于启动或关闭注入过程，依靠储箱与棒束通道3间位差自动将从示踪剂注入棒束通道中。

利用本发明进行流迹可视实验时，实验过程中工作介质从棒束通道下方流入棒束通道3内，打开阀门8，示踪剂在位差驱动下从法兰盘5中注入棒束通道3，示踪剂与工质介质混合流上，棒束通道在不同运动参数和不同热工参数条件下流体呈现不同流迹流态，通过在可视窗2观测示踪剂流迹，可判断棒束通道流体的状态，从而满足实验观测需求。

实施例3：

一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，包括以下步骤：

(a)通过注入系统将示踪剂注入至棒束通道外壳1底部的固定法兰盘5内；

(b)示踪剂从固定法兰盘5内的流道6中向并联的各针头4流动，通过各针头4进入各棒束通道3中；进入各棒束通道3中的示踪剂与工作介质混合，共同向上流动；

(c)通过棒束通道外壳1的可视窗2处观测示踪剂流迹。

本实施例在进行实验的过程中，工作介质从棒束通道下方侧面流入棒束通道内，同时示踪剂在泵驱动下从固定法兰盘处注入各棒束通道，示踪剂与工质介质混合流上，棒束通道在不同运动参数和不同热工参数条件下流体呈现不同流迹流态，通过在可视窗观测示踪剂流迹，可判断棒束通道流体的状态，从而满足实验观测需求。

本方法能够实现棒束通道内不同子通道中示踪剂注入，满足不同运动条件下棒束通道内单相流动流迹显示拍摄需求，可用于运动条件棒束通道内单相流态转捩特性研究，为运动条件下棒束通道内单相流动特性研究提供实验支撑。

实施例4：

一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，在实施例3的基础上，注入系统通过高差自动将示踪剂储箱7内的示踪剂注入至固定法兰盘5内的流道6中。本实施例中示踪剂不使用泵进行驱动，而是利用高差，从示踪剂储箱7中自动注入至棒束通道内，实验过程中工作人员只需及时向示踪剂储箱中补充示踪剂即可。

实施例5：

一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，在实施例3或4的基础上，各针头4的示踪剂注入量独立控制。观测示踪剂流迹的过程中，棒束通道外壳1可根据实验需求模拟不同运动参数和/或不同热工参数。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，包括位于棒束通道外壳(1)内的若干棒束元件(9)、棒束通道(3)，其特征在于，所述棒束通道外壳(1)上设置可视窗(2)；所述棒束通道外壳(1)底部连接固定法兰盘(5)，所述固定法兰盘(5)用于固定棒束元件(9)并能够使工作介质流入棒束通道(3)内；所述固定法兰盘(5)上表面设置若干针头(4)，每个针头(4)对应一个棒束通道(3)，所述固定法兰盘(5)内设置与所有针头(4)相连通的流道(6)，还包括向所述流道(6)内注入示踪剂的注入系统。

2.根据权利要求1所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，其特征在于，所述注入系统包括示踪剂储箱(7)，所述示踪剂储箱(7)通过管路从固定法兰盘(5)的下表面与所述流道(6)连通，所述示踪剂储箱(7)的位置高于所述流道(6)的位置。

3.根据权利要求2所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，其特征在于，所述示踪剂储箱(7)与流道(6)之间设置有阀门(8)。

4.根据权利要求1所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，其特征在于，所述固定法兰盘(5)的上表面设置若干开孔，所述开孔与所述棒束通道(3)一一对应，每个开孔均位于相对应的棒束通道(3)内，每个开孔上均安装针头(4)。

5.根据权利要求1所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，其特征在于，若干棒束元件(9)呈方形阵列分布；一个棒束元件(9)与棒束通道外壳(1)的拐角之间所形成的棒束通道(3)为角通道(10)；相邻两个棒束元件(9)与棒束通道外壳(1)的侧壁之间所形成的棒束通道(3)为边通道(11)；四个方形分布的棒束元件(9)之间所形成的棒束通道(3)为中心通道(12)；所述角通道(10)、边通道(11)、中心通道(12)内均设置有针头(4)。

6.根据权利要求1所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验装置，其特征在于，所述流道(6)与每个针头(4)之间均设置有调节阀和/或流量计。

7.一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)通过注入系统将示踪剂注入至棒束通道外壳(1)底部的固定法兰盘(5)内；

(b)示踪剂从固定法兰盘(5)内的流道(6)中向并联的各针头(4)流动，通过各针头(4)进入各棒束通道(3)中；进入各棒束通道(3)中的示踪剂与工作介质混合，共同向上流动；

(c)通过棒束通道外壳(1)的可视窗(2)处观测示踪剂流迹。

8.根据权利要求7所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，其特征在于，各针头(4)的示踪剂注入量独立控制。

9.根据权利要求7所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，其特征在于，注入系统通过高差自动将示踪剂储箱(7)内的示踪剂注入至固定法兰盘(5)内的流道(6)中。

10.根据权利要求7所述的一种运动条件下棒束通道内流迹可视实验方法，其特征在于，观测示踪剂流迹的过程中，为棒束通道外壳(1)模拟不同运动参数和/或不同热工参数。

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