CN111415762A - 一种环形燃料元件流动全可视化本体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，由可开展纵截面拍摄的可视化本体筒体、可进行俯视拍摄横截面的上封头、用于充分混合流体的下腔室、用于接连管道的下封头、可视化的实验环形棒、固定环形燃料棒用的孔板、孔板固定段七部分组成。本发明设计精巧，可视化环形燃料棒通过孔板固定件实现悬空固定、孔板紧固部件设计合理，可实现环形棒的精准定位，并且不会对俯视拍摄实验产生影响，亦不干扰流动。本发明结构简单紧凑，易于加工，方面观测、实验范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，是一种用于环形燃料元件棒内外流动、交混、流量分配可视化实验的本体设计方案，应用于环形燃料元件内外流动、交混、流量分配特性全场信息的测量，主要涉及到流体力学、反应堆热工水力学等技术领域。
背景技术
反应堆燃料组件内冷却剂温度特性是冷却剂流动传热特性的关键内容，为反应堆热工设计提供参考。冷却剂温度的变化通过反应性反馈直接影响到堆芯功率分布。现阶段大多数反应堆燃料元件采用传统的实心固体燃料芯块设计。由于燃料组件温度需要留出一定的安全裕量，而传统的实心棒状燃料燃耗已达(45～70)Wd/tU，进一步提高其功率密度的潜力不大。环形燃料组件可以实现内外壁同时冷却，增大了堆芯功率密度，并且能大幅度减小堆芯重量。研究表明，相比于传统棒状燃料元件，双冷环形燃料可使功率密度增加20％-50％，同时能提高或保持安全裕度，展现出很好的经济前景。由于环形燃料元件采用中孔设计，其内外通道的阻力特性有所不同，可能导致内外通道的流量分布不均。加之内外通道的传热面积、流动搅混情况各不相同，可能导致内外通道的热点最高温度、DNBR值差异。因此需要对环形燃料元件内冷却剂的流场特性进行研究，揭示其内外通道的流量分配规律，为环形燃料元件的设计提供依据。由于测量技术和方法的限制，反应堆堆芯热工水力问题的现阶段研究主要集中在传统棒束通道流场测量上，对于环形元件流量分配特性以及棒内外流场的实验研究极为稀少。Chi Young Lee(Pressure drop in dual-cooled annular andcylindrical soild fuel assemblies for pressurized water reactor)设计实验方案，实现了环形燃料元件棒外流场的测量，但由于本体设计上的缺陷未能实现环形燃料元件棒内流场的测量。为开展更为广泛的实验研究，设计一种一次性实现全通道、多面可视化、同时测量环形燃料棒内外流场的实验本体是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环形燃料元件内外流场多角度拍摄的可视化本体设计，本设计结构紧凑、加工简易、观测方便、实验应用范围广泛。
本发明的目的是这样实现的：包括可视化上封头、与可视化上封头端部连接的可视化本体筒体、与可视化本体筒体端部连接的孔板固定段、与孔板固定段端部连接的可视化下腔室、与可视化下腔室端部连接的下封头，在下封头内设置有蜂窝板，在可视化本体筒体、孔板固定段、可视化下腔室形成的空间内设置有可视化环形燃料棒，且在可视化本体筒体内、孔板固定段内设置有支撑可视化环形燃料棒的固定孔板，在可视化本体筒体内还设置有定位格架，固定孔板上设置有环形棒定位孔和工质流通孔，上封头上设置有排气孔，下封头上设置有入口。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.定位格架上设置有搅混翼。
2.固定法兰内径大于可视化本体筒体的内径，在固定孔板的上下两端设置有固定法兰凸出部分。
3.孔板固定段端可视化上封头、可视化本体筒体、孔板固定段、可视化下腔室、下封头以及固定孔板均由有机玻璃材料加工而成。
4.可视化环形燃料棒为硅硼玻璃材料。
5.实验中工质经下封头的入口流入实验本体，流经蜂窝板实现流量重新分配，工质流入下腔室实现进一步的充分混合，进入环形燃料棒束入口区，部分工质流入环形棒内部、其余工质流经环形棒外部；经过定位格架的搅混与扰动，流场发生复杂变化，流经本体后由可视化上封头的出口处流出；环形燃料元件纵截面任意高度、任意子通道、任意子通道任意位置流动信息可通过可视化筒体本体拍摄获取；通过可视化上封头俯视拍摄面，高速摄像机可拍摄任意高度横截面环形燃料元件内流动信息，通过调节相机焦距，实现单通道、多通道和全场的测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)环形燃料棒悬空布置，流体在下腔室充分混合后进入环形燃料棒入口处，可实现环形燃料棒内外流动；(2)可视化实验本体实现了全透明，可实现环形燃料棒内部外部流场的同时测量，能够直观方便的对环形燃料元件流量分配特性以及内外流场特性进行研究；(3)采用更好的折射率匹配材料作为环形燃料棒，既能消除图像畸变，又能减小对光的吸收，从而测量燃料元件内部中心子通道的流场情况。(4)刚性环形棒束既可满足棒束竖直条件，又能实现棒束互相遮掩。可以更全面、无干扰、更准确的获取全场流动信息。
附图说明
图1为本发明的环形燃料元件多面可视化本体结构示意图；
图2为本发明的可视化固定孔板示意图；
图3为本发明的孔板固定段固定法兰示意图；
图4为本发明的可视化上封头的俯视图。
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。
结合图1，是本发明的环形燃料元件多面可视化本体结构示意图，实现了环形燃料元件棒内外流体流场全场纵截面、横截面的同时拍摄。实验本体主要包括排气孔1、上封头俯视拍摄面2、可视化上封头3、固定法兰4、可视化环形燃料棒5、固定孔板6、定位格架7、可视化本体筒体8、孔板固定法兰9、孔板固定段10、可视化下腔室11、蜂窝板12、下封头13。实验中工质经下封头13的入口流入实验本体，流经蜂窝板12实现流量重新分配，减轻入口效应。工质流入下腔室10实现进一步的充分混合，进入环形燃料棒束入口区，部分工质流入环形棒内部、其余工质流经环形棒外部，从而可以开展环形燃料元件流量分配特性研究；经过定位格架7的搅混与扰动，流场发生复杂变化，流经本体后由可视化上封头3的出口处流出。环形燃料元件纵截面任意高度、任意子通道、任意子通道任意位置流动信息可通过可视化筒体本体8拍摄获取；通过可视化上封头俯视拍摄面2，高速摄像机可拍摄任意高度横截面环形燃料元件内流动信息，通过调节相机焦距，可实现单通道、多通道和全场的测量。
结合图2，是本发明的可视化固定孔板示意图，由有机玻璃材料加工而成，中间开孔分为环形棒定位孔14和工质流通孔15。将硅硼玻璃制成的环形燃料棒5穿过环形棒定位孔14，实现环形燃料棒的定位。利用有机玻璃粘合剂，实现定位孔板与硅硼玻璃环形燃料棒的粘合。由于有机玻璃粘合剂的原理是将有机玻璃待粘合区域融化，融化的有机玻璃可以将插入其中的环形燃料棒紧紧包围，再塑后的固定孔板形状不会发生变化，而且不会形成传统胶粘方式的固化胶影响流场。
结合图3，是本发明的孔板固定段固定法兰示意图，由有机玻璃材料加工而成。固定法兰内径略大于可视化本体筒体8内径，存在固定法兰凸出部分16，布置于固定孔板上下两侧。该设计实现了固定孔板稳固不振动以及环形可视化棒束的悬空布置，可以在流体充分发展的情况下开展环形燃料元件流量分配特性的研究。
结合图4，是本发明的可视化上封头俯视图，由有机玻璃材料加工而成。排气孔1位于环形燃料棒区域之外，不会影响通道横截面流场拍摄。上封头俯视拍摄面2为一平面，拍摄时不会产生光路畸变。固定孔板6实现了可视化环形燃料棒5的准确定位。
本发明利用激光诊断技术(PIV)可实现环形燃料元件棒内外流动信息、外流场定位格架交混特性、棒内外流量分配特性的多角度全方位测量。纵截面的拍摄通过可视化本体的筒体以及固定孔板实现，筒体采用全透明有机玻璃制成，固定孔板不仅可以实现环形燃料棒的精准定位，还可以实现环形燃料棒的悬空布置，满足环形通道棒内外流动的要求。这一方法可实现环形燃料元件棒内外流场以及外流场定位格架上下游流场的全方位拍摄，通过调节激光平面位置可实现不同子通道的拍摄。横截面的测量可通过拍摄可视化上封头以及可视化硅硼玻璃环形棒实现，上封头采用全透明有机玻璃制成，可视化硅硼玻璃环形棒可满足棒束的纵向竖直要求，并且满足折射率匹配要求，使拍摄内容仅为通道信息，无反光干扰。通过调节相机拍摄范围可实现单通道、多通道和全场的无扰动测量。通过更换、移动定位格架，可实现不同定位格架交混能力、不同高度横截面流场、不同阻力特性下流量分配等特性的研究。
可视化本体筒体由全透明的有机玻璃材料制成，筒体四个侧面均可用于拍摄，筒体横截面为矩形，全通道任意子通道、子通道任意区域均可拍摄，拍摄无畸变。可用于研究环形燃料元件全方位棒内外流场特性，观测效果远优于开设观测口类似的实验本体。也即可视化本体筒体为全透明的有机玻璃板胶粘而成，在激光条件下可实现环形燃料元件棒内外流量分配、通道内纵截面流体流动、定位格架交混信息等工况的拍摄。
可视化上封头由全透明的有机玻璃材料制成，可实现流道横截面的全范围拍摄，刚性硅硼玻璃环形棒可实现棒束的互相遮掩，使相机拍摄的视野仅为流体通道，且良好的折射率匹配特性可满足拍摄区域无强烈反光的测量要求。可用于环形燃料元件单通道、多通道、全场横截面的流动研究，观测效果较以往只能拍摄单通道或单棒横截面流场的效果更好。在激光条件下可实现通道内横截面流动、定位格架交混信息、环形燃料元件棒内横向流场的拍摄，本发明要求的权力包括通过相机的调节可实现单通道、多通道、全场截面信息的拍摄。
可视化环形燃料棒为硅硼玻璃材料，是刚性材料，可以很好地实现可视化棒束的竖直要求，该材料在柠檬烯中具有较好的光学性能，不会产生折射率畸变，不会有强烈反光现象，不会影响测量效果的准确性，激光不会产生散射、衍射、折射、反射等现象。该设计较传统棒束的折射率匹配方案更好，减少了棒对光的吸收，可以测量棒内流场以及最内部中心子通道流场。本发明的要求的权力还包括有硅硼玻璃材料在工质中具有较好的光学性能，不会产生折射率畸变，不会有强烈反光现象，不会影响测量效果的准确性。经验证柠檬烯(C10H16)与硅硼玻璃管具有良好折射率匹配能力，且该材料化学性质稳定、无毒害，可以作为良好的实验试剂。
固定孔板以及孔板固定段可用于固定刚性可视化环形燃料棒，实现环形燃料棒的悬空布置，并保证环形棒稳固不产生振动。保证实验段的流动情况真实可靠，环形燃料棒之间相互平行，满足环形燃料元件内部尺寸要求。环形棒的悬空布置可以实现环形棒内外流体同时流动的观测，可用于环形通道流量分配特性的研究。该设计优于以往只能测量棒外流场的传统棒束通道实验本体。可视化环形元件穿过固定孔板，使其符合排列要求。固定孔板固定于孔板固定段，实现通道内部所有元件均稳固不振动。
可视化下腔室为全透明有机玻璃胶粘而成，具有一定长度用以使下腔室中流体充分发展，发展后的流体进入环形燃料棒实验段。可实现环形棒内外流量分配的准确测量，消除入口效应引起的误差。
综上，本发明提供了一种环形燃料元件流动全可视化本体设计，由可开展纵截面拍摄的可视化本体筒体、可进行俯视拍摄横截面的上封头、用于充分混合流体的下腔室、用于接连管道的下封头、可视化的实验环形棒、固定环形燃料棒用的孔板、孔板固定段七部分组成。实验本体可用于开展常压下环形燃料元件可视化实验，模拟反应堆堆芯环形元件冷却剂的流动情况。本发明依托的可视化实验技术可实现环形燃料棒内外流场的同步测量，无需在实验本体内部布置测点，可以无扰动的获取通道内部流体流动信息。本发明可实现的测量范围广，实现通道横截面单通道、多通道、全场的实时测量；通道纵截面各个子通道、子通道各个位置的实时测量。拍摄内容多样，既能实现传统实验的棒外流动、格架交混的拍摄，还突破了环形棒内外流场同时拍摄的难关，对于环形燃料反应堆内流动、传热、流量分配等方面的研究有较大帮助。本发明设计精巧，可视化环形燃料棒通过孔板固定件实现悬空固定、孔板紧固部件设计合理，可实现环形棒的精准定位，并且不会对俯视拍摄实验产生影响，亦不干扰流动。本发明结构简单紧凑，易于加工，方面观测、实验范围广泛。
Claims (10)
1.一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：包括可视化上封头、与可视化上封头端部连接的可视化本体筒体、与可视化本体筒体端部连接的孔板固定段、与孔板固定段端部连接的可视化下腔室、与可视化下腔室端部连接的下封头，在下封头内设置有蜂窝板，在可视化本体筒体、孔板固定段、可视化下腔室形成的空间内设置有可视化环形燃料棒，且在可视化本体筒体内、孔板固定段内设置有支撑可视化环形燃料棒的固定孔板，在可视化本体筒体内还设置有定位格架，固定孔板上设置有环形棒定位孔和工质流通孔，上封头上设置有排气孔，下封头上设置有入口。
2.根据权利要求1所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：定位格架上设置有搅混翼。
3.根据权利要求1或2所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：固定法兰内径大于可视化本体筒体的内径，在固定孔板的上下两端设置有固定法兰凸出部分。
4.根据权利要求1或2所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：孔板固定段端可视化上封头、可视化本体筒体、孔板固定段、可视化下腔室、下封头以及固定孔板均由有机玻璃材料加工而成。
5.根据权利要求3所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：孔板固定段端可视化上封头、可视化本体筒体、孔板固定段、可视化下腔室、下封头以及固定孔板均由有机玻璃材料加工而成。
6.根据权利要求5所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：可视化环形燃料棒为硅硼玻璃材料。
7.根据权利要求1或2所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：实验中工质经下封头的入口流入实验本体，流经蜂窝板实现流量重新分配，工质流入下腔室实现进一步的充分混合，进入环形燃料棒束入口区，部分工质流入环形棒内部、其余工质流经环形棒外部；经过定位格架的搅混与扰动，流场发生复杂变化，流经本体后由可视化上封头的出口处流出；环形燃料元件纵截面任意高度、任意子通道、任意子通道任意位置流动信息可通过可视化筒体本体拍摄获取；通过可视化上封头俯视拍摄面，高速摄像机可拍摄任意高度横截面环形燃料元件内流动信息，通过调节相机焦距，实现单通道、多通道和全场的测量。
8.根据权利要求3所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：实验中工质经下封头的入口流入实验本体，流经蜂窝板实现流量重新分配，工质流入下腔室实现进一步的充分混合，进入环形燃料棒束入口区，部分工质流入环形棒内部、其余工质流经环形棒外部；经过定位格架的搅混与扰动，流场发生复杂变化，流经本体后由可视化上封头的出口处流出；环形燃料元件纵截面任意高度、任意子通道、任意子通道任意位置流动信息可通过可视化筒体本体拍摄获取；通过可视化上封头俯视拍摄面，高速摄像机可拍摄任意高度横截面环形燃料元件内流动信息，通过调节相机焦距，实现单通道、多通道和全场的测量。
9.根据权利要求4所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：实验中工质经下封头的入口流入实验本体，流经蜂窝板实现流量重新分配，工质流入下腔室实现进一步的充分混合，进入环形燃料棒束入口区，部分工质流入环形棒内部、其余工质流经环形棒外部；经过定位格架的搅混与扰动，流场发生复杂变化，流经本体后由可视化上封头的出口处流出；环形燃料元件纵截面任意高度、任意子通道、任意子通道任意位置流动信息可通过可视化筒体本体拍摄获取；通过可视化上封头俯视拍摄面，高速摄像机可拍摄任意高度横截面环形燃料元件内流动信息，通过调节相机焦距，实现单通道、多通道和全场的测量。
10.根据权利要求6所述的一种环形燃料元件流动全可视化本体结构，其特征在于：实验中工质经下封头的入口流入实验本体，流经蜂窝板实现流量重新分配，工质流入下腔室实现进一步的充分混合，进入环形燃料棒束入口区，部分工质流入环形棒内部、其余工质流经环形棒外部；经过定位格架的搅混与扰动，流场发生复杂变化，流经本体后由可视化上封头的出口处流出；环形燃料元件纵截面任意高度、任意子通道、任意子通道任意位置流动信息可通过可视化筒体本体拍摄获取；通过可视化上封头俯视拍摄面，高速摄像机可拍摄任意高度横截面环形燃料元件内流动信息，通过调节相机焦距，实现单通道、多通道和全场的测量。
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2020
- 2020-04-02 CN CN202010253348.7A patent/CN111415762A/zh active Pending
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