CN112881386A - 一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置及方法，该系统包括六自由度运动模拟平台，由蛇形预热器、三面可视化实验段、套管式冷凝器、加压循环泵、稳压器、及相关设备组成的主循环回路，由套管式冷凝器、板式换热器、冷却塔、冷却风机、冷却水箱及相关设备组成的冷却水系统，由直流电源、低压功率控制器、变压器组成的电加热系统，由两台高速摄像机、PIV测量系统、电动伺服模组组成的气泡监测系统；本发明还提供了该系统的实验方法；本发明能够满足六自由度运动条件下，不同流动模式的窄缝通道气泡动力学特性研究需要，可以同时从不同角度监测气泡并三维立体成像。

Description

一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置及方法
技术领域
本发明属于运动条件下核动力设备性能验证性实验研究技术领域，具体涉及一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置及方法。
背景技术
海上的舰船和核动力平台受到风浪影响，船体会产生倾斜、摇摆以及平动等六个自由度的运动及其耦合运动。海洋运动条件会给反应堆冷却剂系统带来附加的惯性力，使回路内冷却剂的流动和传热特性变得更加复杂。
海上核动力系统常受到空间的限制，针对自然循环系统的体积较大、耗材较多、驱动力较小的问题，工程上日益重视在自然循环系统中采用矩形通道甚至是窄矩形通道以减小自然循环系统的体积并提高系统的驱动力。因窄矩形通道可以在有限的空间内布置更多的加热面，能满足特定环境下换热装置小型化、大功率和高性能的需求。由于窄缝通道的换热面积大，更容易产生沸腾，形成气泡并于回路中循环流动，带来较大流动阻力的同时，进一步改变回路内冷却剂的流动和传热特性。因此，对海洋运动条件下的窄缝通道气泡动力学特性进行实验研究是十分必要和重要的。
六自由度运动条件下窄缝通道可视化气泡动力学实验，主要研究的是加热段为窄缝通道的循环回路在海洋运动条件下，气泡的形成、脱离过程，两相流流型及局部流场信息。因此对实验装置的六自由度运动模拟能力、多循环流动模式模拟能力、气泡三维监测能力及误差控制水平有较高要求，需要能模拟倾斜、摇摆、升潜、加速平动、振动及耦合运动等典型海洋条件；能进行自然循环及强迫循环流动模式下的窄缝通道气泡动力学实验；能同时从不同角度监测窄缝通道内的气泡并进行三维立体成像；能避免六自由度运动条件给测量仪器带来的误差。
CN106248673A一种适用于动态运动条件下的汽泡动力学可视化研究装置，研究了自然循环及强迫循环条件下过冷沸腾气泡行为研究，研究采用的是单面可视化窄缝通道，仅对宽面的气泡行为进行了研究，仅能从二维角度分析气泡动力学现象，难以对气泡生成、脱离等现象进行研究。
发明内容
本发明的目的是针对上述实验装置或实验系统不适用或不满足核工程领域对运动条件下核动力设备性能验证性实验研究的需求，提供一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置及方法，本发明所述实验装置可以实现六个自由度的运动及耦合运动模拟，同时实验段的三个面具有可视化窗口，可以实现气泡的三维立体成像，并可以开展六自由度运动条件下自然循环气泡动力学特性研究。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置，包括六自由度运动模拟平台、主循环回路、冷却水系统、电加热系统和气泡监测系统；
所述六自由度运动模拟平台由机械台体、驱动系统及控制系统组成；
所述主循环回路由蛇形预热器7、三面可视化实验段4、套管式冷凝器14、加压循环泵8、稳压器9、电磁流量计10和排气阀27组成，主循环回路通过桁架结构固定于所述六自由度运动模拟平台的机械台体上；三面可视化实验段4通过承压体21及绝缘法兰连接在主循环回路的上升段中，蛇形预热器7、主循环回路上升段、套管式冷凝器14的内管和主循环回路下降段依次焊接相连，加压循环泵8及排气阀27与套管式冷凝器14的内管出口段连通，稳压器9与蛇形预热器7入口段连通，电磁流量计10安装于蛇形预热器7入口段；
所述冷却水系统由套管式冷凝器14、板式换热器18、冷却塔17、冷却风机16、冷却水箱30、循环泵15和电磁流量计组成；板式换热器18一次侧通过不锈钢软管与套管式冷凝器14的外管连接，构成冷却水系统的室内部分；板式换热器18二次侧与冷却水箱30、冷却塔17连接构成冷却水系统的室外部分，冷却风机16安装于冷却塔17内部；冷却水系统的室内部分和室外部分分别安装了电磁流量计和循环泵15；
所述电加热系统由直流电源5、可控功率变压器6组成，直流电源5固定于机械平台上，通过埋置于三面可视化实验段4的承压体21内的电加热棒26加热矩形流道22，可控功率变压器6与蛇形预热器7连接，输出恒定功率至蛇形预热器7；
所述三面可视化实验段4由承压体21、矩形流道22、前视窗23、透明材料24、侧视窗20及加热棒26构成；上下两块承压体21及其中的透明材料24通过法兰紧固连接；透明材料24的矩形凹槽与承压体21围成了矩形流道22；承压体21的正面和侧面分别开有前视窗23和侧视窗20；加热棒26埋置于承压体21中，由直流电源5通电加热，功率控制灵敏度高；承压体21紧贴矩形流道22沿流向埋置有多个热电偶19测量壁温；
所述气泡监测系统由两台高速摄像机2、PIV测量系统、电动伺服模组组成，高速摄像机2及PIV测量系统均固定于机械台体的桁架之上，分别通过三面可视化实验段4的前视窗23和侧视窗20同时监测矩形流道22内的气泡生成和运动情况，通过计算机1远程控制电动伺服模组来调整摄像机2及PIV测量系统的方位。
所述六自由度运动模拟平台的机械台体包括上台面12和下基座13，驱动系统包括关节铰链29及六个伸缩缸28，伸缩缸28使用伺服电机驱动，采用并联布置，两端分别通过关节铰链29与上台面12及下基座13相连接；通过六个伸缩缸28的伸缩运动实现上台面12的六自由度运动。
所述PIV测量系统由激光发生器25和PIV专用跨帧CCD相机3构成。
利用高速摄像机2及PIV测量系统同时从矩形流道22的宽面和窄面监测气泡及流场信息，并通过计算机1处理监测图像，实现气泡的三维立体成像。
所述承压体21紧贴矩形流道22沿流向每隔100mm等距埋置有热电偶19测量壁温。
所述的一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置的实验方法，实验开始前对主循环回路及冷却水系统进行充水检漏、抗压实验，确保主循环回路在大流量及高压状态下无泄漏；
实验开始前，开启加压循环泵8与排气阀27，排出主循环回路内气体，保持主循环回路内全部工质为单相水，然后注入示踪粒子；随后关闭排气阀27，调节稳压器9，使主循环回路的压力为实验目标工况压力；
开启气泡监测系统时，通过计算机1远程控制电动伺服模组，将两台高速摄像机2及PIV测量系统根据设定的基准方位进行校正；
开启冷却水系统时，保持室内部分和室外部分的阀门为开启状态，分别开启室内部分和室外部分的循环泵，开启冷却风机16加速冷却塔17内流体冷却；
开启电加热系统时，逐步缓慢提升三面可视化实验段4与蛇形预热器7的加热功率，每次升功率保证三面可视化实验段壁温升幅不超过15℃，待三面可视化实验段4壁温与主循环回路流量达到稳定后进行下一次升功率操作，直至三面可视化实验段4进口流体温度达到实验目标工况温度；
开启六自由度运动模拟平台时，保证各伸缩缸的基准经过校正，开启驱动系统电源，通过控制系统升起机械台体至一定高度，为后续各种运动的模拟留足空间裕量，设定实验目标运动工况进行运动模拟。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明所述实验系统及方法实现了六自由度运动条件下气泡动力学特性实验研究，通过六个伸缩缸的伸缩运动可以实现沿任意方向的倾斜，沿x、y、z轴的平动和绕x、y、z轴的摇摆运动，并可以实现所述运动的各种耦合运动，精确模拟复杂的海洋运动条件。
2、实现实验段的三面可视化，并借助高速摄像机和PIV系统从窄缝流道的宽面和窄面同时监测气泡及流场信息，通过计算机处理监测图像，实现气泡的三维立体成像。
3、可以实现六自由度运动条件下，自然循环及强迫循环两种流动模式下的气泡动力学特性实验研究。
附图说明
图1为本实验系统的系统示意图。
图2为本实验系统的三面可视化实验段示意图。
图3为本实验系统的运动模拟平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明涉及一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置，包括六自由度运动模拟平台、主循环回路、冷却水系统、电加热系统和气泡监测系统；六自由度运动模拟平台由机械台体、驱动系统及控制系统组成；主循环回路由蛇形预热器7、三面可视化实验段4、套管式冷凝器14、加压循环泵15、稳压器9、电磁流量计10、排气阀27组成，并通过桁架结构固定于所述六自由度运动模拟平台的机械台体上；三面可视化实验段4通过铝制的承压体21及绝缘法兰连接在主循环回路的上升段中，蛇形预热器7、主循环回路上升段(图中向上箭头)、套管式冷凝器14的内管和主循环回路下降段(图中向下箭头)依次焊接相连，加压循环泵8及排气阀27与套管式冷凝器14的内管出口段连通，稳压器9与蛇形预热器7入口段连通，电磁流量计10安装于蛇形预热器7入口段；冷却水系统由套管式冷凝器14、板式换热器18、冷却塔17、冷却风机16、冷却水箱30、循环泵15、电磁流量计组成；板式换热器18一次侧通过不锈钢软管与套管式冷凝器14的外管连接，构成冷却水系统的室内部分；板式换热器18二次侧与冷却水箱30、冷却塔17连接构成冷却水系统的室外部分，冷却风机16安装于冷却塔17内部；冷却水系统的室内部分和室外部分分别安装了电磁流量计和循环泵15；电加热系统由直流电源5、可控功率变压器6组成，直流电源5固定于机械平台上，通过埋置于三面可视化实验段4的承压体21内的电加热棒26加热矩形流道22，变压器6与蛇形预热器7连接，输出恒定功率至预热器7。
如图3所述，六自由度运动模拟平台的机械台体包括上台面12、下基座13，驱动系统包括关节铰链29及六个伸缩缸28，伸缩缸28采用伺服电机驱动，采用并联布置，两端分别通过关节铰链29与上台面12及下基座13相连接；通过六个伸缩缸28的伸缩运动实现上台面12的六自由度运动。
如图2所示，三面可视化实验段4由承压体21、前视窗23、透明材料24、侧视窗20及加热棒26构成；上下两块承压体21及其中的透明材料24通过法兰紧固连接；透明材料24的矩形凹槽与承压体21围成了矩形流道22；承压体21的正面和侧面分别开有前视窗23和侧视窗20；加热棒26埋置于承压体21中，由直流电源5通电加热，功率控制灵敏度高；实验段紧贴矩形流道22沿流向每隔100mm等距埋置有热电偶19测量壁温；所述实验段的引压管设有绝缘法兰，可以避免两点加热方式带来的温度误差。气泡监测系统由两台高速摄像机2、PIV测量系统、电动伺服模组组成，高速摄像机2及PIV测量系统均固定于机械台体的桁架之上，分别通过前视窗23和侧视窗20监同时测矩形流道22内的气泡生成和运动情况，PIV系统由激光发生器25和PIV专用跨帧CCD相机3构成。通过计算机1远程控制电动伺服模组来调整摄像机2及PIV测量系统3的方位。利用高速摄像机2及PIV测量系统3同时从矩形流道22的宽面和窄面监测气泡及流场信息，并通过计算机1处理监测图像，实现气泡的三维立体成像。
如图1所示，本发明六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置实验方案：实验开始前对各回路进行充水检漏、抗压实验，确保回路在大流量及高压状态下无泄漏；实验开始前，开启加压循环泵15与排气阀27，排出主循环回路内气体，保持主循环回路内全部工质为单相水，然后注入示踪粒子；然后关闭排气阀27，调节稳压器9，使主循环回路的压力为实验目标工况压力；开启气泡监测系统时，通过计算机1远程控制电动伺服模组，将两台高速摄像机2及PIV测量系统根据设定的基准方位进行校正；开启冷却水系统时，保持室内部分和室外部分的阀门为开启状态，分别开启室内部分和室外部分的循环泵，开启冷却风机16加速冷却塔17内流体冷却；开启电加热系统时，逐步缓慢提升三面可视化实验段4与蛇形预热器7的加热功率，每次升功率保证三面可视化实验段壁温升幅不超过15℃，待三面可视化实验段4壁温与主循环回路流量达到稳定后进行下一次升功率操作，直至三面可视化实验段4进口流体温度达到实验目标工况温度；开启六自由度运动模拟平台时，保证各伸缩缸的基准经过校正，开启驱动系统电源，通过控制系统升起机械台体12至运动中位，设定实验目标运动工况进行运动模拟。

Claims (6)

1.一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置，其特征在于：包括六自由度运动模拟平台、主循环回路、冷却水系统、电加热系统和气泡监测系统；
所述六自由度运动模拟平台由机械台体、驱动系统及控制系统组成；
所述主循环回路由蛇形预热器(7)、三面可视化实验段(4)、套管式冷凝器(14)、加压循环泵(8)、稳压器(9)、电磁流量计(10)和排气阀(27)组成，主循环回路通过桁架结构固定于所述六自由度运动模拟平台的机械台体上；三面可视化实验段(4)通过承压体(21)及绝缘法兰连接在主循环回路的上升段中，蛇形预热器(7)、主循环回路上升段、套管式冷凝器(14)的内管和主循环回路下降段依次焊接相连，加压循环泵(8)及排气阀(27)与套管式冷凝器(14)的内管出口段连通，稳压器(9)与蛇形预热器(7)入口段连通，电磁流量计(10)安装于蛇形预热器(7)入口段；
所述冷却水系统由套管式冷凝器(14)、板式换热器(18)、冷却塔(17)、冷却风机(16)、冷却水箱(30)、循环泵(15)和电磁流量计组成；板式换热器(18)一次侧通过不锈钢软管与套管式冷凝器(14)的外管连接，构成冷却水系统的室内部分；板式换热器(18)二次侧与冷却水箱(30)、冷却塔(17)连接构成冷却水系统的室外部分，冷却风机(16)安装于冷却塔(17)内部；冷却水系统的室内部分和室外部分分别安装了电磁流量计和循环泵(15)；
所述电加热系统由直流电源(5)、可控功率变压器(6)组成，直流电源(5)固定于机械平台上，通过埋置于三面可视化实验段(4)的承压体(21)内的电加热棒(26)加热矩形流道(22)，可控功率变压器(6)与蛇形预热器(7)连接，输出恒定功率至蛇形预热器(7)；
所述三面可视化实验段(4)由承压体(21)、矩形流道(22)、前视窗(23)、透明材料(24)、侧视窗(20)及加热棒(26)构成；上下两块承压体(21)及其中的透明材料(24)通过法兰紧固连接；透明材料(24)的矩形凹槽与承压体(21)围成了矩形流道(22)；承压体(21)的正面和侧面分别开有前视窗(23)和侧视窗(20)；加热棒(26)埋置于承压体(21)中，由直流电源(5)通电加热，功率控制灵敏度高；承压体(21)紧贴矩形流道(22)沿流向埋置有多个热电偶(19)测量壁温；
所述气泡监测系统由两台高速摄像机(2)、PIV测量系统、电动伺服模组组成，高速摄像机(2)及PIV测量系统均固定于机械台体的桁架之上，分别通过三面可视化实验段(4)的前视窗(23)和侧视窗(20)同时监测矩形流道(22)内的气泡生成和运动情况，通过计算机(1)远程控制电动伺服模组来调整摄像机(2)及PIV测量系统的方位。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置，其特征在于：所述六自由度运动模拟平台的机械台体包括上台面(12)和下基座(13)，驱动系统包括关节铰链(29)及六个伸缩缸(28)，伸缩缸(28)使用伺服电机驱动，采用并联布置，两端分别通过关节铰链(29)与上台面(12)及下基座(13)相连接；通过六个伸缩缸(28)的伸缩运动实现上台面(12)的六自由度运动。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置，其特征在于：所述PIV测量系统由激光发生器(25)和PIV专用跨帧CCD相机(3)构成。
4.根据权利要求1所述的一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置，其特征在于：利用高速摄像机(2)及PIV测量系统同时从矩形流道(22)的宽面和窄面监测气泡及流场信息，并通过计算机(1)处理监测图像，实现气泡的三维立体成像。
5.根据权利要求1所述的一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置，其特征在于：所述承压体(21)紧贴矩形流道(22)沿流向每隔100mm等距埋置有热电偶(19)测量壁温。
6.权利要求1至5任一项所述的一种六自由度运动条件下窄缝通道可视化实验装置的实验方法，其特征在于：实验开始前对主循环回路及冷却水系统进行充水检漏、抗压实验，确保主循环回路在大流量及高压状态下无泄漏；
实验开始前，开启加压循环泵(8)与排气阀(27)，排出主循环回路内气体，保持主循环回路内全部工质为单相水，然后注入示踪粒子；随后关闭排气阀(27)，调节稳压器(9)，使主循环回路的压力为实验目标工况压力；
开启气泡监测系统时，通过计算机(1)远程控制电动伺服模组，将两台高速摄像机(2)及PIV测量系统根据设定的基准方位进行校正；
开启冷却水系统时，保持室内部分和室外部分的阀门为开启状态，分别开启室内部分和室外部分的循环泵，开启冷却风机(16)加速冷却塔(17)内流体冷却；
开启电加热系统时，逐步缓慢提升三面可视化实验段(4)与蛇形预热器(7)的加热功率，每次升功率保证三面可视化实验段壁温升幅不超过15℃，待三面可视化实验段(4)壁温与主循环回路流量达到稳定后进行下一次升功率操作，直至三面可视化实验段(4)进口流体温度达到实验目标工况温度；
开启六自由度运动模拟平台时，保证各伸缩缸的基准经过校正，开启驱动系统电源，通过控制系统升起机械台体至一定高度，为后续各种运动的模拟留足空间裕量，设定实验目标运动工况进行运动模拟。
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