CN111504588A - 燃料棒束两相流动流固耦合试验回路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，包括燃料棒束两相流动流固耦合试验台、止回阀、流量计、第一控制阀、循环泵、开式水箱、第二控制阀、电磁阀、压力表、减压阀、气罐、干燥机、空气压缩机、第一管路、第二管路以及第三管路；第一管路的一端连接开式水箱，第二管路的一端连接开式水箱，第三管路的一端连接空气压缩机，第一管路、第二管路以及第三管路的另一端均连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台；第一管路上设置有第二控制阀；第二管路上设置有循环泵、第一控制阀、流量计；第三管路上设置有干燥机、气罐、减压阀、压力表、电磁阀、止回阀。本发明能够在测试燃料棒束通道间流动状态的同时测试棒束所受的流体力和振动状态。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体地，涉及一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路。
背景技术
燃料组件设计是反应堆堆芯设计的核心工作，在进行燃料组件结构设计时需评估棒束间的流动结构对燃料组件换热性能的影响，同时还需评估燃料棒束间的单相及可能发生的两相流动引起的燃料棒束流致振动是否在合理范围内，以保证燃料组件的可靠运行。基于以上需求须设计燃料棒束两相流动流固耦合试验回路以评估燃料棒束的流致振动。传统的燃料棒束两相流动实验台偏重于研究棒束通道间的两相流动结构，两相流动结构指棒束通道里的流场形态，即流量、速度与压力分布等，一般实验台无法测量棒束的流体力，且缺乏燃料棒束流致振动效应的测试功能。本发明提供了一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，该试验台能在保证棒束通道间两相流动结构测试功能的基础上同时开展燃料棒束流致振动效应测试，为日益精细化的燃料组件设计工作提供技术支撑。
公开号为CN110926755A的专利文献公开了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。该专利文献中的技术方案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。但是，该专利文献中的技术方案仅能够测试燃料组件内部的速度和压降分布，不能测量燃料组件棒束之间的流致振动。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路。
根据本发明提供的一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，包括燃料棒束两相流动流固耦合试验台、止回阀、流量计、第一控制阀、循环泵、开式水箱、第二控制阀、电磁阀、压力表、减压阀、气罐、干燥机、空气压缩机、第一管路、第二管路以及第三管路；
所述第一管路的一端连接开式水箱，第一管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台，第一管路上设置有第二控制阀；
所述第二管路的一端连接开式水箱，第二管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台，第二管路上从一端到另一端依次设置有循环泵、第一控制阀、流量计；
所述第三管路的一端连接空气压缩机，第三管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台，第三管路上从一端到另一端依次设置有干燥机、气罐、减压阀、压力表、电磁阀、止回阀。
优选地，燃料棒束两相流动流固耦合试验台包括模拟棒束、试验段箱体、密封圈、棒束拉紧螺栓连接件、拉力测试机构以及试验台支架；
所述试验段箱体安装在试验支架上，试验段箱体内设置有一个或多个模拟棒束，试验段箱体内还设置有一个或多个试验棒束安装位置；
试验棒束安装在试验段箱体内后两端通过密封圈与试验段箱体连接，试验棒束两端超出试验段箱体的部分分别同轴连接棒束拉紧螺栓连接件，棒束拉紧螺栓连接件的周向和轴向分别通过拉力测试机构连接试验支架。
优选地，所述拉力测试机构包括拉压力传感器、拉紧螺栓、锁紧螺母；
所述棒束拉紧螺栓连接件的周向上依次连接压力传感器、拉紧螺栓，棒束拉紧螺栓连接件的轴向上依次连接拉压力传感器、拉紧螺栓，拉紧螺栓通过锁紧螺母连接试验台支架。
优选地，所述拉力测试机构的两端分别与棒束拉紧螺栓连接件和试验台支架连接后处于受拉状态。
优选地，所述棒束拉紧螺栓连接件的周向上均匀设置有多个连接端，所述连接端均通过万向节连接拉力测试机构。
优选地，所述试验段箱体采用有机透明玻璃箱，所述模拟棒束采用透明棒束。
优选地，所述试验段箱体内设置有透明格架，所述透明格架上设置试验棒束、模拟棒束的安装位置，试验棒束的安装位置设置在透明格架中间，所述试验棒束、模拟棒束均竖直安装在试验段箱体内，所述试验棒束、模拟棒束相互平行。
优选地，所述试验段有箱体内试验棒束、模拟棒束之间形成棒束间流动通道。
优选地，还包括测振仪，所述测振仪安装在试验台支架上，测振仪设置在试验段箱体外部并对准试验棒束，测振仪能够在平行于试验棒束轴向的方向上运动，测振仪通过改变位置能够测试试验棒束在不同纵向位置的振动状态。
优选地，还包括高速摄像机，所述高速摄像机安装在试验台支架上，高速摄像机设置在试验段箱体外部并对准试验棒束，高速摄像机能够在平行于试验棒束轴向的方向上运动，根据高速摄像机采集的图像采用粒子图像测速法测量棒束间流动通道内的两相流动速度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明结构简单，操作方便，能够在测试燃料棒束通道间流动状态的同时测试棒束所受的流体力和不同纵向位置上的振动状态，为燃料棒束的流致振动研究提供充分数据。
2、本发明针对燃料棒束的特点设计了专用的测力结构和密封结构，使燃料棒束所受的流体力能完全传递到拉压力传感器上，提高了测试可靠性和精度。
3、本发明拉力测试机构与棒束拉紧螺栓连接件周向上通过万向节连接，能够有效传递试验棒束的横向振动及受力；同时棒束拉紧螺栓连接件轴向上直接连接拉力测试机构并通过拉力测试结构连接到试验台支架，使得试验棒束轴向位置相对固定，避免轴向移动对测试造成影响。
4、本发明拉力测试机构连接在棒束拉紧螺栓连接件与试验台支架之间且处于受拉状态，使得试验棒束在纵向(轴向)上和横向上都处于被拉紧的状态，能够有效避免拉力测试机构受压发生弯曲而导致试验棒束的力无法完全传递到拉压力传感器上。
5、本发明试验段箱体和模拟棒束均采用透明材料，使得测试过程可视化，并可以通过粒子图像测速法测量棒束间流动通道内的两相流动速度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路示意图。
图2为本发明的燃料棒束两相流动流固耦合试验台的主视结构示意图。
图3为本发明的燃料棒束两相流动流固耦合试验台的立体结构示意图。
图4为本发明的燃料棒束两相流动流固耦合试验台的俯视结构示意图。
图5为本发明的试验段箱体格架的结构示意图。
图6为本发明的棒束拉紧螺栓连接件的结构示意图。
图中示出：
燃料棒束两相流动流固耦合试验台1 空气压缩机13
止回阀2 试验棒束14
流量计3 模拟棒束15
第一控制阀4 试验段箱体16
循环泵5 密封圈17
开式水箱6 棒束拉紧螺栓连接件18
第二控制阀7 万向节19
电磁阀8 拉压力传感器20
压力表9 拉紧螺栓21
减压阀10 锁紧螺母22
气罐11 试验台支架23
干燥机12 测振仪24
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本发明的目的是提供一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，包括燃料棒束两相流动流固耦合试验台，该试验台通过透明试验段箱体和透明玻璃棒束(模拟棒束)构造棒束间流动通道，通过循环泵将驱动开式水箱中的水流入试验段箱体，再通过空气压缩机向试验段箱体中鼓入一定量的压缩空气来模拟棒束通道间的两相流动，此外还专门设置了一个经过表面处理的钢制棒束模拟试验棒束，通过测试其不同轴向位置在两相流动中的振动响应及整个棒束所受的纵向和横向流体力以研究两相流动对棒束的流致振动效应。流固耦合指棒束中的两相流动与棒束的相互作用，流体是棒束通道间的两相流动，固体是燃料棒束，通过测振仪与拉力测试机构研究这种相互作用。
根据本发明提供的一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，如图1所示，包括燃料棒束两相流动流固耦合试验台1、止回阀2、流量计3、第一控制阀4、循环泵5、开式水箱6、第二控制阀7、电磁阀8、压力表9、减压阀10、气罐11、干燥机12、空气压缩机13、第一管路、第二管路以及第三管路；所述第一管路的一端连接开式水箱6，第一管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台1，第一管路上设置有第二控制阀7；所述第二管路的一端连接开式水箱6，第二管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台1，第二管路上从一端到另一端依次设置有循环泵5、第一控制阀4、流量计3；所述第三管路的一端连接空气压缩机13，第三管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台1，第三管路上从一端到另一端依次设置有干燥机12、气罐11、减压阀10、压力表9、电磁阀8、止回阀2。优选地，所述流量计3采用电磁流量计。
所述流量计3、第一控制阀4、循环泵5、开式水箱6、第二控制阀7通过管道相互连接组成主回路，给棒束两相流动流固耦合试验台供给循环水，使模拟棒束通道间形成与实际反应堆棒束通道中相似的流动结构。而止回阀2、电磁阀8、压力表9、减压阀10、气罐11、干燥机12、空气压缩机13依次通过管道连接形成供气支路，使其能定量的为棒束两相流动流固耦合试验台供给压缩空气，使试验段棒束通道间中形成所需的气液两相流动。燃料棒束两相流动流固耦合试验回路运行时，循环泵5驱动开式水箱6中的水按与真实棒束通道相同的速度流经棒束两相流动流固耦合试验台1，通过流量计3、第一控制阀4、第二控制阀7控制主回路流量。空气压缩机13驱动气罐11中的压缩气体通过减压阀10、电磁阀8及止回阀2进入棒束两相流动流固耦合试验台1，在试验台中形成气液两相流，在此过程中通过压力表9监测支路中的气压。
如图2-6所示，燃料棒束两相流动流固耦合试验台1包括模拟棒束15、试验段箱体16、密封圈17、棒束拉紧螺栓连接件18、拉力测试机构以及试验台支架23；所述试验段箱体16安装在试验支架23上，试验段箱体16内设置有一个或多个模拟棒束15，试验段箱体16内还设置有一个或多个试验棒束14安装位置；试验棒束14安装在试验段箱体16内后两端通过密封圈17与试验段箱体16连接，试验棒束14两端超出试验段箱体16的部分分别同轴连接棒束拉紧螺栓连接件18，棒束拉紧螺栓连接件18的周向和轴向分别通过拉力测试机构连接试验支架23。所述拉力测试机构包括拉压力传感器20、拉紧螺栓21、锁紧螺母22；所述棒束拉紧螺栓连接件18的周向上依次连接压力传感器20、拉紧螺栓21，棒束拉紧螺栓连接件18的轴向上依次连接拉压力传感器20、拉紧螺栓21，拉紧螺栓21通过锁紧螺母22连接试验台支架23。所述拉力测试机构的两端分别与棒束拉紧螺栓连接件18和试验台支架23连接后处于受拉状态。所述棒束拉紧螺栓连接件18的周向上均匀设置有多个连接端，所述连接端均通过万向节19连接拉力测试机构。所述试验段箱体16采用有机透明玻璃箱，所述模拟棒束15采用透明棒束。所述试验段箱体16内设置有透明格架，所述透明格架上设置试验棒束14、模拟棒束15的安装位置，试验棒束14的安装位置设置在透明格架中间，所述试验棒束14、模拟棒束15均竖直安装在试验段箱体16内，所述试验棒束14、模拟棒束15相互平行。所述试验段有箱体16内试验棒束14、模拟棒束15之间形成棒束间流动通道。
优选地，所述密封圈17采用O型橡胶密封圈，由于橡胶刚度较低，试验段棒束14发生振动时试验段棒束14对橡胶施加的作用力相对于试验棒束施加给拉力测试机构的力非常微小，因此试验棒束14所受的纵向和横向拉压力基本都传递到了拉力测试机构中纵向和横向的拉压力传感器20上，通过测试拉压力传感器20所受的力即可测得试验棒束14所受的流体力。在测试试验棒束14所受的流体力时，需通过调整锁紧螺母22使拉力测试机构处于受拉的状态，即整个试验棒束14在纵向上和横向上都处于被拉紧的状态，如此能避免拉力测试机构受压发生弯曲而导致试验棒束14的受力无法完全传递到拉压力传感器20上，试验时通过数据采集仪记录拉压力传感器20受力变化即可换算出试验棒束14所受的流体纵向力与横向力状况。
在一个实施例中，图4图中显示了由万向节19、拉压力传感器20、拉紧螺栓21、锁紧螺母22组成的四组测横向力得拉力测试机构，所述四个拉力测试机构均匀的沿环向(周向)均匀分布在棒束拉紧螺栓连接件18四周，测试试验棒束14所受的横向力。在纵向上的拉力测试机构不包括万向节19。
优选地，在试验段箱体16中，如图5所示，试验棒束14与试验段箱体16间连接处的孔径较模拟棒束15的连接孔径更大，这是因为试验棒束14与试验段箱体16通过O型橡胶密封圈进行密封，而模拟棒束15则直接与试验段箱体16进行连接配合。
还包括测振仪24，所述测振仪24安装在试验台支架23上，测振仪24设置在试验段箱体16外部并对准试验棒束14，测振仪24能够在平行于试验棒束14轴向的方向上运动，测振仪24通过改变位置能够测试试验棒束14在不同纵向位置的振动状态。优选地，所述测振仪24采用激光测振仪。在测试试验棒束14所受流体力的同时，试验段箱体16外部的测振仪24通过改变纵向(试验棒束14轴向)上的位置可测试试验棒束14在不同纵向位置上的振动状态，为研究棒束在两相流动下的振动状态提供充分的实验数据。
还包括高速摄像机，所述高速摄像机安装在试验台支架23上，高速摄像机设置在试验段箱体16外部并对准试验棒束14，高速摄像机能够在平行于试验棒束14轴向的方向上运动，根据高速摄像机采集的图像采用粒子图像测速法测量棒束间流动通道内的两相流动速度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，包括燃料棒束两相流动流固耦合试验台(1)、止回阀(2)、流量计(3)、第一控制阀(4)、循环泵(5)、开式水箱(6)、第二控制阀(7)、电磁阀(8)、压力表(9)、减压阀(10)、气罐(11)、干燥机(12)、空气压缩机(13)、第一管路、第二管路以及第三管路；
所述第一管路的一端连接开式水箱(6)，第一管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台(1)，第一管路上设置有第二控制阀(7)；
所述第二管路的一端连接开式水箱(6)，第二管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台(1)，第二管路上从一端到另一端依次设置有循环泵(5)、第一控制阀(4)、流量计(3)；
所述第三管路的一端连接空气压缩机(13)，第三管路的另一端连接燃料棒束两相流动流固耦合试验台(1)，第三管路上从一端到另一端依次设置有干燥机(12)、气罐(11)、减压阀(10)、压力表(9)、电磁阀(8)、止回阀(2)。
2.根据权利要求1所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，燃料棒束两相流动流固耦合试验台(1)包括模拟棒束(15)、试验段箱体(16)、密封圈(17)、棒束拉紧螺栓连接件(18)、拉力测试机构以及试验台支架(23)；
所述试验段箱体(16)安装在试验支架(23)上，试验段箱体(16)内设置有一个或多个模拟棒束(15)，试验段箱体(16)内还设置有一个或多个试验棒束(14)安装位置；
试验棒束(14)安装在试验段箱体(16)内后两端通过密封圈(17)与试验段箱体(16)连接，试验棒束(14)两端超出试验段箱体(16)的部分分别同轴连接棒束拉紧螺栓连接件(18)，棒束拉紧螺栓连接件(18)的周向和轴向分别通过拉力测试机构连接试验支架(23)。
3.根据权利要求2所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，所述拉力测试机构包括拉压力传感器(20)、拉紧螺栓(21)、锁紧螺母(22)；
所述棒束拉紧螺栓连接件(18)的周向上依次连接压力传感器(20)、拉紧螺栓(21)，棒束拉紧螺栓连接件(18)的轴向上依次连接拉压力传感器(20)、拉紧螺栓(21)，拉紧螺栓(21)通过锁紧螺母(22)连接试验台支架(23)。
4.根据权利要求2所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，所述拉力测试机构的两端分别与棒束拉紧螺栓连接件(18)和试验台支架(23)连接后处于受拉状态。
5.根据权利要求2所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，所述棒束拉紧螺栓连接件(18)的周向上均匀设置有多个连接端，所述连接端均通过万向节(19)连接拉力测试机构。
6.根据权利要求2所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，所述试验段箱体(16)采用有机透明玻璃箱，所述模拟棒束(15)采用透明棒束。
7.根据权利要求2所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，所述试验段箱体(16)内设置有透明格架，所述透明格架上设置试验棒束(14)、模拟棒束(15)的安装位置，试验棒束(14)的安装位置设置在透明格架中间，所述试验棒束(14)、模拟棒束(15)均竖直安装在试验段箱体(16)内，所述试验棒束(14)、模拟棒束(15)相互平行。
8.根据权利要求2或7所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，所述试验段有箱体(16)内试验棒束(14)、模拟棒束(15)之间形成棒束间流动通道。
9.根据权利要求2所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，还包括测振仪(24)，所述测振仪(24)安装在试验台支架(23)上，测振仪(24)设置在试验段箱体(16)外部并对准试验棒束(14)，测振仪(24)能够在平行于试验棒束(14)轴向的方向上运动，测振仪(24)通过改变位置能够测试试验棒束(14)在不同纵向位置的振动状态。
10.根据权利要求6所述的燃料棒束两相流动流固耦合试验回路，其特征在于，还包括高速摄像机，所述高速摄像机安装在试验台支架(23)上，高速摄像机设置在试验段箱体(16)外部并对准试验棒束(14)，高速摄像机能够在平行于试验棒束(14)轴向的方向上运动，根据高速摄像机采集的图像采用粒子图像测速法测量棒束间流动通道内的两相流动速度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN118645266A (zh) * | 2024-06-25 | 2024-09-13 | 重庆大学 | 流致振动机理测试工件、设计方法及试验装置 |
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2020
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