CN110926755B - 可视化试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视化试验系统，该系统包括：燃料组件；管路系统，用于使得流动工质能够在燃料组件内部流动；测量控制装置，用于采集测量参数，并根据采集的测量参数控制所述管路系统各器件工作，获得燃料组件内部的速度分布和压降分布。本发明可以测量燃料组件内部的压降分布和速度分布，通过合理的设计燃料组件和选择流动工质，可以将模型试验的数据应用到原型试验中，减小试验次数，降低试验难度和节约实验成本。

Description

可视化试验系统

技术领域

本发明是关于一种可视化试验系统，涉及核反应堆技术领域。

背景技术

液态铅铋反应堆是六种第四代反应堆堆型之一，也是“加速器驱动嬗变研究装置”的选用堆型。典型快堆燃料组件使用螺旋绕丝作为定位部件。绕丝作为快堆燃料棒束的定位部件，具有确定相邻燃料棒间距的作用，同时减小了燃料棒的震动和弯曲，还增强了棒束通道的对流换热。

反应堆热工水力的重要任务之一是研究冷却剂的流动特性。液态铅铋合金运行在高温条件下，且对结构材料有腐蚀性，开展铅铋合金试验测量压降分布难度大、花费高。另外，液态铅铋合金不透明，因此不能使用光学测速技术测量试验段内部速度分布，而接触式测速方法会干扰流场或者只能单点测量，测量精度低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效节约开展原型试验的成本和减小试验难度的可视化试验系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种可视化试验系统，该系统包括：

燃料组件；

管路系统，用于使得流动工质能够在所述燃料组件内部流动；

测量控制装置，用于采集测量参数，并根据采集的测量参数控制所述管路系统各器件工作，获得燃料组件内部的速度分布和压降分布。

在本发明的一些实施例中，所述燃料组件包括：

外套管，所述外套管采用带有绕丝的透明材料制作，所述外套管内通过绕丝设置为若干快堆燃料棒构成的燃料棒束；

第一压力传感器，所述外套管外部轴向呈周期性分布有测压区域，每一测压区域均包括周向设置的多个测压点，测压点设置有所述第一压力传感器，用于进行燃料组件的多个轴向压降和横向压降测量。

在本发明的一些实施例中，所述管路系统包括第一～第三水箱、第一～第二水泵、换热器和若干阀门；

所述第一水箱出口通过所述第一水泵和第一阀门连接所述换热器进口，所述换热器出口连接所述第二水箱进口，所述第二水箱出口依次通过第一阀门组件、第二阀门组件以及第二阀门连接所述燃料组件入口，所述燃料组件出口通过第三阀门连接所述第三水箱进口，所述第三水箱出口通过第四阀门连接所述第二水泵进口，所述第二水泵出口通过第五阀门连接所述换热器。

在本发明的一些实施例中，所述测量控制装置包括：

测温元件，设置在所述燃料组件入口和出口处；

第二压力传感器，设置在所述第二水泵进口、出口以及燃料组件入口处；

流量计，设置在所述燃料组件入口与第二水箱之间；

控温装置，连接所述第一水箱和换热器，用于对流动工质温度进行控制；

测控系统，用于采集所述测温器件、第一压力传感器、第二压力传感器以及流量计的测量结果，并实现对水泵及控温装置的调节，获取燃料组件内部的压降分布；

光学测速仪，用于拍摄燃料组件内轴向和横向速度分布。

在本发明的一些实施例中，所述测控系统包括：

水泵控制模块，用于回路的启动和停止，并对水泵频率进行调节；

数据采集模块，用于监控和采集流量计、测温元件以及第一压力传感器的数据；

超压保护模块，用于采集设置在所述燃料组件入口处的第二压力传感器的数值，并对燃料组件进行超压保护。

在本发明的一些实施例中，所述光学测速仪采用粒子图像测速仪，所述粒子图像测速仪采用同步器控制激光器和CCD相机，完成速度分布拍摄；

当拍摄燃料组件轴向速度分布时，所述激光器位于燃料组件右侧，相机位于燃料组件正面；

当拍摄组件横流时，所述激光器位于燃料组件右侧，相机位于燃料组件顶端。

在本发明的一些实施例中，所述第二水泵还设置有第六阀门作为旁通支路，使得试验回路切换到不同试验工况。

在本发明的一些实施例中，所述第四阀门还设置有过滤器旁通支路，所述过滤器旁通支路包括串联连接的第七阀门和过滤器。

在本发明的一些实施例中，所述第一组件包括并联连接的三条支路，第一支路为串联连接的第八阀门和第一流量计，第二支路为串联连接的第九阀门和第二流量计，第三支路为第十阀门；

所述第二组件包括并联连接两条支路，第一条支路由串联连接的第十一阀门和第三流量计构成的支路，第二支路为第十二阀门支路；

其中，所述第一流量计或第二流量计的测量原理与第三流量计的测量原理不相同。

在本发明的一些实施例中，所述外套管顶部设置上管座，所述上管座底部设置有上支撑栅格板；所述外套管底部设置有下管座，所述下管座顶部也设置有下支撑栅格板；

优选地，所述下管座处还设置有过滤塞，用于燃料组件除杂和均匀流量；

优选地，所述流动工质选取和所述外套管折射率匹配的液体，用于消除因流动工质和外套管材料折射率差异给光路带来的影响；

优选地，所述流动工质采用对伞花烃；

优选地，所述流动工质在运行前做加热处理，将流动工质中的气泡排除。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在测压区域通过接入压力传感器可以测量燃料组件内部的压降分布；

2、本发明通过光学测速法(例如粒子图像测速仪)可以测量燃料组件内部的速度分布，描述横流效应，并且采用非接触式的瞬时三维测量技术对流场的干扰可以忽略；

3、本发明可以将模型试验的数据应用到原型试验中，减小试验次数，降低试验难度和节约实验成本。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中可视化试验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例拍摄燃料组件横向速度分布示意图；

图3为本发明实施例拍摄燃料组件轴向速度分布示意图；附图图中标记为：燃料组件1、控温装置2、测温元件3、过滤器4、第一～第三水箱A1～A3、第一～第二水泵B1～B2、换热器C、第一～第十三阀门D1～D13、第一～第三流量计E1～E3。

具体实施方式

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

如图1所示，本实施例提供的可视化试验系统，包括燃料组件1、管路系统以及测量控制装置。

具体地，燃料组件1可以采用有机玻璃作为外套管材料，当然，外套管也可以采用其他高透明材料加工而成，在此不做限制，可以根据试验需要进行选择。外套管内通过绕丝插设固定由若干快堆燃料棒构成的燃料棒束。外套管上轴向呈周期性的分布有多排测压区域，每一排测压区域均包括周向设置的多个测压点，测压点可以设置压力传感器，用于进行燃料组件的多个轴向压降测量和横向压降测量，优选地，若压力传感器采用表压传感器，每个测压点均可以连接有引压管，每一引压管上均设置有压力传感器，使得压力传感器位于外套管不同位置，用于测量各个测压点的压强进而得到燃料组件的轴向和横向压降分布；若压力传感器采用差压传感器，当需要测量燃料组件的横向压降分布时，根据所需测量结果，可以在每一排测量区域的两个不同测量点处设置差压传感器，当需要测量燃料组件的轴向压降分布时，可以在选择的两排测压区域的两个不同测量点设置差压传感器，实际使用时，可以采用三通或四通等进行测压点的差压传感器的连接，在此不做赘述。

管路系统，用于使得流动工质能够在燃料组件1内部流动。

具体地，管路系统包括第一～第三水箱A1～A3、第一～第二水泵B1～B2、换热器C和若干阀门。每一水箱A1～A3均设置有投料口、排水口和排气阀，第一水箱A1的出口通过第一水泵B1和第一阀门D1连接换热器C的进口，换热器C的出口连接第二水箱A2的进口，第二水箱A2的出口依次通过第一阀门组件、第二阀门组件、第二阀门D2连接燃料组件1入口，燃料组件1出口通过第三阀门D3连接第三水箱A3的进口，第三水箱A3的出口通过第四阀门D4连接第二水泵B2的进口，第二水泵B2的出口通过第五阀门D5连接换热器C。

测量控制装置，用于采集测量参数，并根据采集的测量参数控制所述管路系统各器件工作，获得燃料组件内部的速度分布和压降分布，其中，速度分布包括燃料组件内轴向和横向速度分布；

具体地，测量控制装置包括测控系统、控温装置2、流量计、测温元件、压力传感器和粒子图像测速仪。燃料组件1入口和出口分别设置测温元件3，第二水泵B2的进口和出口均设置有压力传感器，用于监测第二水泵B2进口和出口压力，防止水泵发生气蚀现象，同时在燃料组件1入口设置处设置有压力传感器，用于对燃料组件进行超压保护，优选地，压力传感器可以采用表压传感器。流量计设置在燃料组件1入口与第二水箱A2之间。控温装置2用于连接第一水箱A1和换热器C。测控系统用于控制各水泵动作，并基于采集的各测量器件参数实现对控温装置C的调节。另外，粒子图像测速仪用于拍摄燃料组件内的轴向和横向速度分布。当然，不局限于粒子图像测速仪，也可以使用其他光学测速方法，在此不做限制，可以通过采用其他的非接触光学测速法测量燃料组件内部的速度分布。

在本发明的一些实施例中，为方便试验结果与仿真结果对照和减小物性(密度和粘度)变化给雷诺数带来的影响，可选地，本实施例的管路系统可以通过换热器分隔程一回路和二回路，其中不包含控温装置2的是一回路，包含控温装置2的为二回路，通过控温装置2将一回路流动工质温度恒温，可选地，可以使用冷水机作为控温装置2，试验厂房设置也可以采用空调作为控温装置。

在本发明的一些实施例中，第二水泵B2还设置有第六阀门D6作为旁通支路，配合水泵自身的变频柜调节回路中流量，使得试验回路切换到不同试验工况。

在本发明的一些实施例中，第四阀门D4还设置有过滤器旁通支路，过滤器旁通支路包括串联连接的第七阀门D7和过滤器4，第四阀门D4设置过滤器旁通支路，方便回路在调试模式下，过滤回路中的杂质，当然也可以在回路中设置多个过滤器，在此不做限定，可以根据实际需要进行选择。

在本发明的一些实施例中，第一组件包括并联连接的三条支路，第一支路为串联连接的第八阀门D8和第一流量计E1，第二支路为串联连接的第九阀门D9和第二流量计E2，第三支路为第十阀门D10；第二组件包括并联连接两条支路，第一条支路由串联连接的第十一阀门D11和第三流量计E3构成的支路，第二支路为第十二阀门D12支路；优选地，第一流量计E1和第二流量计E2可以选用同一种原理的流量计，可以根据试验工况选用支路。第三流量计E3选用另一种原理的流量计，用于与第一流量计E1或者第二流量计E2进行对照，目的是为了覆盖不同试验工况和提高测量精度，将两个不同量程的流量计并联在支路中，根据试验工况，切换支路通断。综上，在第一流量计E1、第二流量计E2和第三流量计E3和试验段旁分别设置了旁通支路，方便回路在调试模式下起到保护设备的作用。同时，采用不同原理的两种流量计串联在回路中，相互校验，防止因设备工作异常引起的错误。

在本发明的一些实施例中，两个测温元件3之间的管路上还设置有第十三阀门D13。

在本发明的一些实施例中，测控系统可以采用LabVIEW软件编写，测控系统设置有水泵控制模块，用于回路的启动和停止，泵频率的调节，优选地，LabVIEW程序可以使用PID对泵频率进行自动调节；数据采集模块，用于监控和采集流量计、测温元件和压力传感器等测量元件的数据；超压保护模块，用于采集燃料组件1入口处的压力传感器的数值，并对燃料组件进行超压保护，其中，试验过程中可以利用LabVIEW程序多次采集进行平均。

在本发明的一些实施例中，粒子图像测速仪用于拍摄不同试验工况下燃料组件内的轴向和横向速度分布。粒子图像测速仪可以采用同步器控制激光器和CCD相机，完成速度分布拍摄，之后在图像处理软件上处理得到清晰、正确的速度分布。

如图2所示，拍摄燃料组件横流时，激光器位于燃料组件右侧，CCD相机位于燃料组件1顶端上方，激光器出射的片光源与CCD相机视角垂直，速度分布在暗室里完成拍摄工作。

如图3所示，拍摄燃料组件轴向速度分布时，激光器可以位于组件右侧，CCD相机位于燃料组件正面；

另外，可以使用光学平台和电动升降台完成CCD相机和激光器的位置调整，具体不做赘述，可以根据实际需要进行选择。

在本发明的一些实施例中，第一水泵B1和第二水泵B2均可以选用循环泵，每一水泵均设置有变频柜。

在本发明的一些实施例中，换热器C可以采用管壳式换热器。

在本发明的一些实施例中，快堆燃料棒可以呈正三角形排列。

在本发明的一些实施例中，外套管内部可以设计成正六边形，外部设计成正方形，方便使用光学测速技术拍摄。外套管顶部固定设置有上管座，上管座底部设置有上支撑栅格板，外套管底部固定设置有下管座，下管座的顶部设置有下支撑栅格板，优选地，上管座和下管座可以采用对称的两个法兰，用于减小流动工质对组件的反作用力。另外，下管座处还可以设置有过滤塞，用于燃料组件除杂和均匀流量；其中，外套管的入口还设置有排水口，排水口处设置有阀门。进一步地，上管座上轴向设置多个螺栓，用于借助水平仪调整燃料组件的垂直度。

在本发明的一些实施例中，所有压力传感器的前端均可以设置排气阀；排气阀前端设置快连接阀门，方便安装和更换压力传感器。其中，连接阀门可以使用压力表三通针型阀门，可以同时排气和控制流动工质通断，减小器件具体积和成本。

在本发明的一些实施例中，在满足几何相似的前提下，流动工质选取和有机玻璃折射率匹配的液体，用于消除因流动工质和外套管折射率差异给光路带来的影响。优选地，流动工质选用对伞花烃，另外，流动工质在运行前可以做加热处理，将流动工质中的气泡排除。

在本发明的一些实施例中，测温元件3可以采用热电偶，分别取燃料组件入口和出口两个热电偶读数的平均值，用于监测流动工质的物性。

在本发明的一些实施例中，水箱起到流动工质灌入、回路稳流、液位监测、排气和排污的作用。优选地，可以使用保温水箱。另外，可以在水箱上设置液位计，用于监测管路中液位。使用时，可以将第三水箱设置在比燃料组件更高的位置，方便将燃料组件中的气体排除。

在本发明的一些实施例中，本实施例的所有阀门可以采用手动阀门，也可以采用电动球阀，可以根据实际需要进行选择。

下面详细说明采用本实施例的可视化试验系统进行试验回路的运行方法，根据运行性质，分为调试模式和测量模式。调试模式用于回路清洗、过滤杂质和极限工况下的测试，调试工作完成之后，切换到测量模式，具体过程为：

调试模式：

先将第一水泵B1、第二水泵B2、第一水箱A1、第二水箱A2、第三水箱A3的排气阀打开，完成排气工作。

关闭第六阀门D6，打开第一阀门D1和第五阀门D5；

关闭第八阀门D8、第九阀门D9、打开第十阀门D10，保护第一流量计E1和第二流量计E2；

关闭第十一阀门D11，打开第十二阀门D12，保护第三流量计E3；

关闭第二阀门D2、第三阀门D3，打开第十三阀门D13，保护燃料组件；

关闭第四阀门D4，打开第七阀门D7，将过滤器4接入回路中。

通过测控系统启动第二水泵B2，泵稳定运行后，根据试验工况，选择打开第八阀门D8或者第九阀门D9，关闭第十阀门D10，将第一流量计E1或者第二流量计E2接入回路中；

打开第十一阀门D11，关闭第十二阀门D12，将第三流量计E3接入回路中；

打开第二阀门D2和第三阀门D3，关闭第七阀门D7，将燃料组件接入回路中；

通过测控系统启动第一水泵B1和冷水机，冷水机通过换热器C将一回路流动工质温度控制到预设温度。

完成过滤、排气工作和将一回路温度调整到预设稳定附近之后，打开第四阀门D4，关闭第七阀门D7，将过滤器所在支路关闭，切换到测量模式下。

测量模式：

使用测控系统调节泵频率，将回路流量切换到不同试验工况，利用测控系统采集和存储燃料组件的轴向和横向压降数据。

在完成压降分布测量之后，使用粒子图像测速仪拍摄不同试验工况下燃料组件的轴向和横向速度分布。

在本发明的一些实施例中，可以将一回路流动工质温度控制在室温或者实验室温度附近。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种可视化试验系统，其特征在于，该系统包括：

燃料组件，所述燃料组件包括：

外套管，所述外套管采用带有绕丝的透明材料制作，所述外套管内通过绕丝设置为若干快堆燃料棒构成的燃料棒束；

第一压力传感器，所述外套管外部轴向呈周期性分布有测压区域，每一测压区域均包括周向设置的多个测压点，测压点设置有所述第一压力传感器，用于进行燃料组件的多个轴向压降和横向压降测量；

管路系统，用于使得流动工质能够在所述燃料组件内部流动；所述管路系统包括第一～第三水箱、第一～第二水泵、换热器和若干阀门；

所述第一水箱出口通过所述第一水泵和第一阀门连接所述换热器进口，所述换热器出口连接所述第二水箱进口，所述第二水箱出口依次通过第一阀门组件、第二阀门组件以及第二阀门连接所述燃料组件入口，所述燃料组件出口通过第三阀门连接所述第三水箱进口，所述第三水箱出口通过第四阀门连接所述第二水泵进口，所述第二水泵出口通过第五阀门连接所述换热器；

测量控制装置，用于采集测量参数，并根据采集的测量参数控制所述管路系统各器件工作，获得燃料组件内部的速度分布和压降分布；所述测量控制装置包括：

测温元件，设置在所述燃料组件入口和出口处；

第二压力传感器，设置在所述第二水泵进口、出口以及燃料组件入口处；

流量计，设置在所述燃料组件入口与第二水箱之间；

控温装置，连接所述第一水箱和换热器，用于对流动工质温度进行控制；

测控系统，用于采集所述测温元件、第一压力传感器、第二压力传感器以及流量计的测量结果，并实现对水泵及控温装置的调节，获取燃料组件内部的压降分布；所述测控系统包括：

水泵控制模块，用于回路的启动和停止，并对水泵频率进行调节；

数据采集模块，用于监控和采集流量计、测温元件以及第一压力传感器的数据；

超压保护模块，用于采集设置在所述燃料组件入口处的第二压力传感器的数值，并对燃料组件进行超压保护；光学测速仪，用于拍摄燃料组件内轴向和横向速度分布。

2.根据权利要求1所述的可视化试验系统，其特征在于，所述光学测速仪采用粒子图像测速仪，所述粒子图像测速仪采用同步器控制激光器和CCD相机，完成速度分布拍摄；

当拍摄燃料组件轴向速度分布时，所述激光器位于燃料组件右侧，相机位于燃料组件正面；

当拍摄组件横流时，所述激光器位于燃料组件右侧，相机位于燃料组件顶端。

3.根据权利要求1或2所述的可视化试验系统，其特征在于，所述第二水泵还设置有第六阀门作为旁通支路，使得试验回路切换到不同试验工况。

4.根据权利要求1或2所述的可视化试验系统，其特征在于，所述第四阀门还设置有过滤器旁通支路，所述过滤器旁通支路包括串联连接的第七阀门和过滤器。

5.根据权利要求1或2所述的可视化试验系统，其特征在于，所述第一阀门组件包括并联连接的三条支路，第一支路为串联连接的第八阀门和第一流量计，第二支路为串联连接的第九阀门和第二流量计，第三支路为第十阀门；

所述第二阀门组件包括并联连接两条支路，第一条支路由串联连接的第十一阀门和第三流量计构成的支路，第二支路为第十二阀门支路；

其中，所述第一流量计或第二流量计的测量原理与第三流量计的测量原理不相同。

6.根据权利要求1或2所述的可视化试验系统，其特征在于，所述外套管顶部设置上管座，所述上管座底部设置有上支撑栅格板；所述外套管底部设置有下管座，所述下管座顶部也设置有下支撑栅格板；

所述下管座处还设置有过滤塞，用于燃料组件除杂和均匀流量；

所述流动工质选取和所述外套管折射率匹配的液体，用于消除因流动工质和外套管材料折射率差异给光路带来的影响；

所述流动工质采用对伞花烃；

所述流动工质在运行前做加热处理，将流动工质中的气泡排除。

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