CN111912880B - 一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统及方法，该系统包括探测器模块、发射电路、接收电路和计算分析模块，探测器模块包括电极片阵列和电信号接收底板，电极片阵列设于上流道板内壁面上，以下流道板作为电信号接收底板；通过发射电路按次序给电极片阵列的每个电极片一个电压信号，电极片被激发后产生的电流通过电极片与电信号接收底板间的两相流流体介质后，经过电信号接收底板传回给接收电路；计算分析模块从接收电路按时序接收的电流信号大小来计算出对应电极片处介质的电导率，计算该电极片处的介质的相态。本发明测量精度高，以独特的探测器模块设计解决了矩形通道结构狭窄的问题，实现矩形通道内全场瞬态空泡份额测量。

Description

一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统及方法
技术领域
本发明涉及核能系统中窄矩形换热通道中热工水力学问题的实验研究技术领域，尤其涉及一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统及方法。
背景技术
沸腾传热是核能系统运行过程中的一种常见现象，掌握其空泡份额变化规律，对进一步研究其传热机理，优化传热性能具有重要作用。近几年来，窄矩形通道换热设备开始应用，对于其沸腾传热机理的研究越来越重视。然而受限于其狭窄的流动空间，很难对通道内的空泡份额进行测量。
传统的探针手段为单点测量，每次只能获取流道中某一空间点的空泡份额参数，该实验数据对理论研究的支撑性不强。对于全场空泡份额测量，现阶段学术界常用的一种方式为采用高速摄像仪对单面可视的窄矩形本体进行拍摄，气相和液相表现出不同灰度值，通过图像转化来获取空泡份额参数，此种手段存在以下不足：1、气液相临界灰度值受每次实验的光线强度和光线入射角度影响，气液相识别不够准确；2、对于气相面积几乎充满流道的弹状流、环状流可能会误判气相区域和液相区域；3、高速相机拍摄图像后，需要将图像导入电脑，编写相关算法，采用相关软件进行识别统计，从直接拍摄到获取空泡份额数据的过程较为繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有核能系统运行过程中的全场空泡份额测量方式对气液相识别不够准确，且过程较为繁杂的问题；本发明提供了解决上述问题的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统及方法，本发明可以实现对窄矩形通道内全场瞬态空泡份额进行实时、准确的测量，为进一步开展窄矩形通道沸腾传热研究提供实验数据支撑。
本发明通过下述技术方案实现：
一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，包括探测器模块和电路控制模块，所述探测器模块设置于窄矩形通道内，所述窄矩形通道为由上流道板和下流道板组成的矩形流道；所述探测器模块包括电极片阵列和电信号接收底板，所述电极片阵列设于所述窄矩形通道的上流道板内壁面上，以所述窄矩形通道的下流道板作为所述电信号接收底板，且为金属材质；
所述电路控制模块包括发射电路和接收电路，所述发射电路电连接所述电极片阵列，所述接收电路电连接所述电信号接收底板；
所述电极片阵列作为电信号发射极，所述电信号接收底板作为电信号接收极，通过发射电路按次序给电极片阵列的每个电极片一个电压信号，电极片被激发后产生的电流通过电极片与电信号接收底板间的两相流流体介质后，经过电信号接收底板传回给同时序的接收电路。
其中，本发明中在核能系统运行过程中两相流流体为气液混合体，可以由空气和水组成，也可以由空气和水蒸汽组成。
工作原理如下：
基于传统的探针手段为单点测量，每次只能获取流道中某一空间点的空泡份额参数，该实验数据对理论研究的支撑性不强。对于全场空泡份额测量，现阶段学术界常用的一种方式为采用高速摄像仪对单面可视的窄矩形本体进行拍摄，气相和液相表现出不同灰度值，通过图像转化来获取空泡份额参数，此种手段存在以下不足：1、气液相临界灰度值受每次实验的光线强度和光线入射角度影响，气液相识别不够准确；2、对于气相面积几乎充满流道的弹状流、环状流可能会误判气相区域和液相区域；3、高速相机拍摄图像后，需要将图像导入电脑，编写相关算法，采用相关软件进行识别统计，从直接拍摄到获取空泡份额数据的过程较为繁琐。
本发明基于窄矩形通道的局限性和窄矩形通道内空泡份额的测量需求，研发出来的一种新型的适用于矩形通道的全场瞬态空泡份额测量系统；本发明系统包括探测器模块和电路控制模块，把探测器模块设置于窄矩形通道内，基于窄矩形通道包括上流道板和下流道板，而探测器模块包括电极片阵列和电信号接收底板，电极片阵列设于所述窄矩形通道的上流道板内壁面上，以金属下流道板作为电信号接收底板；电路控制模块实现产生激励信号和采集接收信号的功能。本测量系统的测量原理为电导原理，电极片阵列为电信号发射极，下流道板为电信号接收极，首先通过发射电路依次给每个电极片一个电压信号，对应的电极片产生的电流通过电极片与下流道板间的介质后，经过金属下流道板传回给接收电路，由于气相和液相表现出较大的电导率差异，通过下流道板传回电流的大小可以推断出对应电极片处介质的电导率，进而推算出该电极片处的介质的相态(气态或者液态)。
本发明结构简单、合理，具有测量准确、实时等优良特性；利用电导测量原理可以有效测量空泡份额，独特的探测器模块结构设计解决了矩形通道结构狭窄的问题，可以实现矩形通道内全场瞬态空泡份额测量；本发明可以用于核能系统中窄矩形换热通道中热工水力学问题的实验研究，能够满足稳态和瞬态工况下窄矩形通道内气液两相流动全场瞬态空泡份额测量。
优选地，还包括同步器，所述发射电路、接收电路均与所述同步器电连接；所述同步器，用于实现发射电路与接收电路之间的时间同步；即接收电路能够接收到与发射电路同时序的电流信号，保证时间的一致性。
优选地，该系统还包括计算分析模块，所述计算分析模块连接接收电路；
所述计算分析模块，用于根据从接收电路按时序接收的电流信号大小来计算出对应电极片处介质的电导率，进而计算出该电极片处的介质的相态(气态或者液态)；在实验中，会在液体中添加适当的盐(如氯化钠)，调试液体的电导率在400-500μS/cm之间，气相的电导率几乎为零，发射电路发射5V方波信号，当该点介质为液体时，接收电路接收到3-5V电压信号，当该点介质为气体时，接收电路接收到0-0.1V电压信号。具体原理是发射电路、介质和接收电路形成电流回路，其中发射电路是电源，接收电路中有一个电阻，介质也是一个电阻，接收电路最终测量的是接收电路中电阻两端的电压；从而完成整个平面的相态测量，即获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
优选地，所述电极片阵列由若干电极片以阵列形式排布而成。
优选地，所述电极片的形状为圆形，半径为0.1-0.2mm，厚度为0.1mm；相邻电极片之间的距离相等，且相邻电极片之间的距离大于等于1mm，这样既保证电极片的电导性良好的情况下，又避免距离过小而导致电极片之间的相互干扰，影响最终对两相流流体流动全场瞬态空泡份额测量精度。
优选地，所述发射电路通过排线电连接所述电极片阵列，且排线的根数与电极片的个数相同，使每个电极片均连接有对应的排线，保证测量使用过程中每个电极片正常测量其通道内的自身处介质的电导率。
优选地，所述窄矩形通道的上流道板和下流道板之间的距离为1mm-10mm，具体所述窄矩形通道的上流道板和下流道板之间的距离和实际工程相关，以实际工程尺寸为基准，开展相同尺寸下的实验研究。
优选地，所述发射电路的电信号发射频率、接收电路的电信号接收频率为1-100kHz，具体根据测量需求可选择；发射电路和接收电路的电信号频率很高，在很短时间内(＜0.001s)完成一次所有电极片的电信号发射和接收，即在很短时间内(＜0.001s)可以完成整个平面的相态测量，即可以获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，可以获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
另一个方面，本发明还提供了一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量方法，该方法应用于所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，该方法包括以下步骤：
S1：将探测器模块、电路控制模块及流道安装至两相流流体的测量回路中；
S2：启动发射电路、接收电路及计算分析模块；
S3：启动两相流流体的测量回路，使两相流流体进入到窄矩形通道的流道中；
S4：发射电路和接收电路投入工作中，发射电路连续发射电压信号，对应的同时序接收电路采集电压信号；包括：
发射电路给每个电极片顺序连续发射电压信号，电极片被激发后产生的电流通过电极片与电信号接收底板间的两相流流体介质后，经过电信号接收底板传回给同时序的接收电路；
S5：通过计算分析模块转换电压信号，获得流道中瞬时的全场相态分布；包括：
计算分析模块根据从接收电路按时序接收的电流信号大小来计算出对应电极片处介质的电导率，进而计算出该电极片处的介质的相态(气态或者液态)；在实验中，会在液体中添加适当的盐(如氯化钠)，调试液体的电导率在400-500μS/cm之间，气相的电导率几乎为零，发射电路发射5V方波信号，当该点介质为液体时，接收电路接收到3-5V电压信号，当该点介质为气体时，接收电路接收到0-0.1V电压信号。具体原理是发射电路、介质和接收电路形成电流回路，其中发射电路是电源，接收电路中有一个电阻，介质也是一个电阻，接收电路最终测量的是接收电路中电阻两端的电压；从而完成整个平面的相态测量，即获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明结构简单、合理，具有测量准确、实时等优良特性；利用电导测量原理可以有效测量空泡份额，独特的探测器模块结构设计实现了对窄矩形通道内全场空泡份额的瞬时测量；本发明可以用于核能系统中窄矩形换热通道中热工水力学问题的实验研究，能够满足稳态和瞬态工况下窄矩形通道内气液两相流动全场瞬态空泡份额测量。
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为本发明一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统中的带探测器模块的流道截图示意图。
图2为本发明图1中A-A剖面图。
图3为本发明实施例一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-电极片阵列，2-电信号接收底板，3-上流道板，4-同步器，5-发射电路，6-接收电路，7-电极片，8-排线，9-计算分析模块。
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所示，本发明一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，包括探测器模块和电路控制模块，所述探测器模块设置于窄矩形通道内，所述窄矩形通道为由上流道板3和下流道板组成的矩形流道；所述探测器模块包括电极片阵列1和电信号接收底板2，所述电极片阵列1紧紧贴在所述窄矩形通道的上流道板3内壁面上，以所述窄矩形通道的下流道板作为所述电信号接收底板2，且为金属材质；
所述电路控制模块包括发射电路5和接收电路6，所述发射电路5电连接所述电极片阵列1，所述接收电路6电连接所述电信号接收底板2；
所述电极片阵列1作为电信号发射极，所述电信号接收底板2作为电信号接收极，通过发射电路5按次序给电极片阵列1的每个电极片7一个电压信号，电极片7被激发后产生的电流通过电极片7与电信号接收底板2间的两相流流体介质后，经过电信号接收底板2传回给同时序的接收电路6。
其中，本发明中在核能系统运行过程中两相流流体为气液混合体，可以由空气和水组成，也可以由空气和水蒸汽组成。
图1为本发明一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统中的带探测器模块的流道截图示意图；图2为本发明图1中A-A剖面图，电极片阵列11中的各个电极片7紧紧贴在上流道板3上，通过排线8引出流道，其中箭头为两相流流体的流动方向。
作为进一步地优选方案，还包括同步器4，所述发射电路5、接收电路6均与所述同步器4电连接；所述同步器4，用于实现发射电路5与接收电路6之间的时间同步；即接收电路6能够接收到与发射电路5同时序的电流信号，保证时间的一致性。
作为进一步地优选方案，该系统还包括计算分析模块9，所述计算分析模块9连接接收电路6；
所述计算分析模块9，用于根据从接收电路6按时序接收的电流信号大小来计算出对应电极片7处介质的电导率，进而计算出该电极片7处的介质的相态(气态或者液态)；在实验中，会在液体中添加适当的盐(如氯化钠)，调试液体的电导率在400-500μS/cm之间，气相的电导率几乎为零，发射电路发射5V方波信号，当该点介质为液体时，接收电路接收到3-5V电压信号，当该点介质为气体时，接收电路接收到0-0.1V电压信号。具体原理是发射电路、介质和接收电路形成电流回路，其中发射电路是电源，接收电路中有一个电阻，介质也是一个电阻，接收电路最终测量的是接收电路中电阻两端的电压。
通过发射电路5激励电极片7后产生电流并传输至接收电路6时，计算分析模块9可把按照时序接收的电流信号大小进行阵列排布，转化为空间矩阵；比如，电极片7为100个时，转化为10*10的空间矩阵，发射电路5第t时刻至t+9时刻的10个电流数据作为矩阵的第一行，依次类推，方便后续计算分析模块获取数据进行后续分析一定时间序列的瞬时全场空泡份额；
从而完成整个平面的相态测量，即获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
作为进一步地优选方案，所述电极片阵列1由若干电极片7以阵列形式排布而成。
作为进一步地优选方案，所述电极片7的形状为圆形，半径为0.1-0.2mm，厚度为0.1mm；相邻电极片7之间的距离相等，且相邻电极片7之间的距离大于等于1mm，这样既保证电极片7的电导性良好的情况下，又避免距离过小而导致电极片7之间的相互干扰，影响最终对两相流流体流动全场瞬态空泡份额测量精度。
作为进一步地优选方案，所述发射电路5通过排线8电连接所述电极片阵列1，且排线8的根数与电极片7的个数相同，使每个电极片7均连接有对应的排线8，保证测量使用过程中每个电极片7正常测量其通道内的自身处介质的电导率。
作为进一步地优选方案，所述窄矩形通道的上流道板3和下流道板之间的距离为1mm-10mm，具体所述窄矩形通道的上流道板3和下流道板之间的距离和实际工程相关，以实际工程尺寸为基准，开展相同尺寸下的实验研究。
作为进一步地优选方案，所述发射电路5的电信号发射频率、接收电路6的电信号接收频率为1-100kHz，发射电路5和接收电路6的电信号频率很高，在很短时间内(＜0.001s)完成一次所有电极片7的电信号发射和接收，即在很短时间内(＜0.001s)可以完成整个平面的相态测量，即可以获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，可以获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
实施时：本发明基于窄矩形通道的局限性和窄矩形通道内空泡份额的测量需求，研发出来的一种新型的适用于矩形通道的全场瞬态空泡份额测量系统；本发明系统包括探测器模块和电路控制模块，把探测器模块设置于窄矩形通道内，基于窄矩形通道包括上流道板3和下流道板，而探测器模块包括电极片阵列1和电信号接收底板2，电极片阵列1设于所述窄矩形通道的上流道板3内壁面上，以金属下流道板作为电信号接收底板2；电路控制模块实现产生激励信号和采集接收信号的功能。本测量系统的测量原理为电导原理，电极片阵列1为电信号发射极，下流道板为电信号接收极，首先通过发射电路5依次给每个电极片7一个电压信号，对应的电极片7产生的电流通过电极片7与下流道板间的介质后，经过金属下流道板传回给接收电路6，发射电路5与接收电路6之间通过同步器4实现时间同步；由于气相和液相表现出较大的电导率差异，通过下流道板传回电流的大小可以推断出对应电极片7处介质的电导率，进而推算出该电极片7处的介质的相态(气态或者液态)。
发射电路5和接收电路6的电信号频率很高，在很短时间内(＜0.001s)完成一次所有电极片7的电信号发射和接收，即在很短时间内(＜0.001s)可以完成整个平面的相态测量，即可以获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，可以获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
本发明系统结构简单、合理，具有测量准确、实时等优良特性；利用电导测量原理可以有效测量空泡份额，独特的探测器模块结构设计解决了矩形通道结构狭窄的问题，可以实现矩形通道内全场瞬态空泡份额测量；本发明可以用于核能系统中窄矩形换热通道中热工水力学问题的实验研究，能够满足稳态和瞬态工况下窄矩形通道内气液两相流动全场瞬态空泡份额测量。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量方法，该方法应用于实施例1的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，该方法包括以下步骤：
S1：将探测器模块、电路控制模块及流道安装至两相流流体的测量回路中；
S2：启动发射电路、接收电路及计算分析模块；
S3：启动两相流流体的测量回路，使两相流流体进入到窄矩形通道的流道中；
S4：发射电路和接收电路投入工作中，发射电路连续发射电压信号，对应的同时序接收电路采集电压信号；包括：
发射电路给每个电极片顺序连续发射电压信号，电极片被激发后产生的电流通过电极片与电信号接收底板间的两相流流体介质后，经过电信号接收底板传回给同时序的接收电路；
S5：通过计算分析模块转换电压信号，获得流道中瞬时的全场相态分布；包括：
计算分析模块根据从接收电路按时序接收的电流信号大小来计算出对应电极片处介质的电导率，进而计算出该电极片处的介质的相态(气态或者液态)；在实验中，会在液体中添加适当的盐(如氯化钠)，调试液体的电导率在400-500μS/cm之间，气相的电导率几乎为零，发射电路发射5V方波信号，当该点介质为液体时，接收电路接收到3-5V电压信号，当该点介质为气体时，接收电路接收到0-0.1V电压信号。具体原理是发射电路、介质和接收电路形成电流回路，其中发射电路是电源，接收电路中有一个电阻，介质也是一个电阻，接收电路最终测量的是接收电路中电阻两端的电压；从而完成整个平面的相态测量，即获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
本发明方法流程合理，测量精准，利用电导测量原理可以有效测量空泡份额，独特的探测器模块结构设计解决了矩形通道结构狭窄的问题，可以实现矩形通道内全场瞬态空泡份额测量。
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 (9)

1.一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，包括探测器模块和电路控制模块，所述探测器模块设置于窄矩形通道内，所述窄矩形通道为由上流道板（3）和下流道板组成的矩形流道；所述探测器模块包括电极片阵列（1）和电信号接收底板（2），所述电极片阵列（1）设于所述窄矩形通道的上流道板（3）内壁面上，以所述窄矩形通道的下流道板作为所述电信号接收底板（2），且为金属材质；
所述电路控制模块包括发射电路（5）和接收电路（6），所述发射电路（5）电连接所述电极片阵列（1），所述接收电路（6）电连接所述电信号接收底板（2）；
所述电极片阵列（1）作为电信号发射极，所述电信号接收底板（2）作为电信号接收极，通过发射电路（5）按次序给电极片阵列（1）的每个电极片（7）一个电压信号，电极片（7）被激发后产生的电流通过电极片（7）与电信号接收底板（2）间的两相流流体介质后，经过电信号接收底板（2）传回给同时序的接收电路（6）。
2.根据权利要求1所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，还包括同步器（4），所述发射电路（5）、接收电路（6）均与所述同步器（4）电连接；
所述同步器（4），用于实现发射电路（5）与接收电路（6）之间的时间同步。
3.根据权利要求1所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，该系统还包括计算分析模块（9），所述计算分析模块（9）连接接收电路（6）；
所述计算分析模块（9），用于根据从接收电路按时序接收的电流信号大小来计算出对应电极片（7）处介质的电导率，进而计算出该电极片（7）处的介质的相态；从而完成整个平面的相态测量，即获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
4.根据权利要求1所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，所述电极片阵列（1）由若干电极片（7）以阵列形式排布而成。
5.根据权利要求4所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，所述电极片（7）的形状为圆形，半径为0.1-0.2mm，厚度为0.1mm；相邻电极片（7）之间的距离相等，且相邻电极片（7）之间的距离大于等于1mm。
6.根据权利要求1所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，所述发射电路（5）通过排线（8）电连接所述电极片阵列（1）。
7.根据权利要求1所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，所述窄矩形通道的上流道板（3）和下流道板之间的距离为1mm-10mm。
8.根据权利要求1所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，其特征在于，所述发射电路（5）的电信号发射频率、接收电路（6）的电信号接收频率为1-100kHz。
9.一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1至8中任意一项所述的一种窄矩形通道全场瞬态空泡份额测量系统，该方法包括以下步骤：
S1：将探测器模块、电路控制模块及矩形流道安装至两相流流体的测量回路中；
S2：启动发射电路、接收电路及计算分析模块；
S3：启动两相流流体的测量回路，使两相流流体进入到窄矩形通道的矩形流道中；
S4：发射电路和接收电路投入工作中，发射电路连续发射电压信号，对应的同时序的接收电路采集电压信号；包括：
发射电路给每个电极片顺序连续发射电压信号，电极片被激发后产生的电流通过电极片与电信号接收底板间的两相流流体介质后，经过电信号接收底板传回给同时序的接收电路；
S5：通过计算分析模块转换电压信号，获得矩形流道中瞬时的全场相态分布；包括：
计算分析模块根据从接收电路按时序接收的电流信号大小来计算出对应电极片处介质的电导率，进而计算出该电极片处的介质的相态；从而完成整个平面的相态测量，即获得瞬时的全场相态分布，通过一段时间的测量，获得一定时间序列的瞬时全场空泡份额。
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