CN113063816A - 一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，包括试验段主系统，试验段主系统包括试验水箱、中心测量柱试验件、操作头组件试验件和导流筒，试验水箱由两个不同直径圆筒焊接而成，中心测量柱试验件焊接在试验水箱顶面中心，操作头组件试验件包括三个模拟操作头，且围绕着试验水箱的轴线均匀焊接在试验水箱底面上，导流筒围绕着模拟操作头焊接在试验水箱底面上，通过控制不同给水管道内流体的温度和流量，使从模拟操作头出来的流体沿导流筒向上流动，冲在中心测量柱试验件的下封头后向四周流动，继而从两侧的排水管道流出，以研究不同工况下中心测量柱试验件的下封头表面的温度振荡情况及其造成的疲劳影响。

Description

一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架

技术领域

本发明属于核电发电实验技术领域，尤其涉及一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架。

背景技术

中子反应堆堆芯是由不同燃料富集度的燃料组件排列组成，而这些组件由燃料棒、控制棒等不同的棒束组成。受这些棒束发热量不均的影响，流经不同通道的冷却剂温度存在差异，当它们在堆芯上腔室混合后，在中心测量柱附近将产生复杂的高频温度振荡现象。这种现象不仅可能会影响堆芯出口温度的测量精度，而且可能会引起堆芯出口上方的中心测量柱的热疲劳与热老化，进而影响反应堆的控制和保护动作，影响其正常运行。迄今为止，不少核电站发生过由于温度振荡现象引起的热疲劳与热老化事件，例如在美国的一些核电站中，曾发生过安注系统管道阀门泄露，引起该阀门一侧的冷水流入到另一侧的高温水中，这种冷热水的搅混导致流体及固体壁面的温度振荡，对结构产生了疲劳损伤；日本敦贺发电厂2号机的化容系统也是由于泄露引发了流体温度振荡，对相关构件产生了热疲劳损伤。为了保证钠冷快堆在设计寿期内旋塞中心柱能够安全运行不发生损坏，对其下方冷却剂温度振荡现象开展研究具有重要的工程价值。

对于热振荡现象的研究，国外起步较早，法国、日本、美国、韩国、印度等国上已经开展了较多的相关研究工作，主要是对热分层现象、T型管温度振荡现象、平行喷口温度振荡现象、同轴喷口温度振荡现象等做了较多的研究，并取得了一定的成果。例如Hu L-W,Kazimi M S等人基于LES湍流模型利用商业软件CFD研究了混合三通道中的高周温度波动情况。Kimura等对T型管中流体混合引起的温度波动情况进行了实验研究，并分析了该模型下的传热特性。Nobuyuki等基于平行三喷口模型，从液态钠到固体的热传递过程进行了实验研究，得到恒定的独立于温度振荡频率及振幅的对流换热系数。

我国核电起步较晚，对这方面的研究较少，但随着我国核电事业的进一步发展，核工业界对此问题也给予了高度的关注。一般情况下，冷热流体的混合及冷热流体的热分层均能产生流体的温度振荡现象。国内对压水的相关管道和钠冷快堆液钠池等研究较多，主要采用理论、数值模拟及实验的方法对温度振荡现象进行研究。例如许义军等总结了相关快堆热分层现象的研究状况，对全场断电情况下，中国实验快堆热钠池内温度场进行瞬态计算，总结了热分层形成的条件及具体位置。陆道纲等基于粒子图像测速和温度传感器系统研究了冷热流体的同轴喷射现象，对流场的温度振荡及其三维特性进行了探讨。现今，国内外对钠冷快堆堆芯上方的旋塞中心柱由于热剥离现象引起的热应力-应变以及疲劳寿命分析的研究还不够详尽，所以需要在钠冷快堆正常运行工况下对旋塞中心柱所承受的热应力进行分析，同时计算旋塞中心柱的疲劳寿命，从而确定旋塞中心柱保护包层的厚度与层数等参数。

流体的温度振荡以及流-固耦合热分析是一个比较复杂的传热传质过程，快堆正常运行时，堆芯冷却剂的温差最大约为100℃，明显大于压水堆冷却剂的温差；同时液态钠的热导率也很大，约为液态水的100倍左右。因此，快堆堆芯出口温度振荡的破坏性也更严重，堆内构件由于温度振荡产生的疲劳失效、蠕变失效以及蠕变-疲劳相互作用失效等损伤，需要得到重点关注。

综上所述，通过模拟不同工况下旋塞中心柱下封头附近流体区域内的高频温度振荡现象，以探究热振荡现象对旋塞中心柱产生热疲劳的影响，并以此验证CFR600旋塞中心柱40，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，包括试验段主系统，所述试验段主系统包括试验水箱、中心测量柱试验件、操作头组件试验件和导流筒，其中，所述试验水箱由两个不同直径的圆筒焊接在一起，所述中心测量柱试验件焊接在试验水箱顶面中心位置，所述操作头组件试验件包括三个模拟操作头，三个模拟操作头围绕着试验水箱的轴线均匀焊接在试验水箱底面上，导流筒围绕着模拟操作头焊接在试验水箱底面上，三个模拟操作头的下端分别与给水管道焊接为一体，通过控制不同给水管道内流体的温度和流量，使从模拟操作头出来的流体沿导流筒向上流动，冲在中心测量柱试验件的下封头后向四周流动，继而从两侧的排水管道流出，以研究不同工况下中心测量柱试验件的下封头表面的温度振荡情况及其造成的疲劳影响。

优选的，导流筒的高度由原型的流场高度来决定，中心测量柱试验件的下封头模拟简化为厚度与原型相同的圆板，模型与原型直径缩比0.12:1；

模拟操作头的出口范围高度采用流体高度的五分之一，模拟操作头出口尺寸的确定须满足下列三个条件：

①ν_m＝ν，其中，ν_m为模拟操作头出口流速，ν为原型操作头出口流速；

②

其中，Q_m为模拟操作头总流量，A_m为模拟操作头出口流域横截面积，Q为原型操作头总流量，A为原型操作头出口流域横截面积；

③P≤600KW，P为试验加热功率。

优选的，模拟操作头模拟原型操作头的形状，拟设计为在580KW功率下，在保证模拟操作头出口流速与原型操作头出口流速相等下，模拟操作头与原型操作头的出口尺寸比例为0.68:1，模拟操作头的间距以及其他尺寸与原型操作头保持一致；在保证模拟操作头出口流速不变的情况下，中心操作头的出流截面只有两个出口大小，包括一个完整的面向试验水箱轴线的出口和两个1/2出口。

优选的，所述试验水箱除其顶部焊接中心测量柱试验件的部分外，其余部分均采用304不锈钢，模拟操作头采用304不锈钢材质。

优选的，试验水箱的底面焊接有溢流环板，溢流环板采用304不锈钢材质。

优选的，试验水箱底面开设有3个流体进口的孔，试验水箱底面设有给水管道的接口。

优选的，所述试验台架还包括给水与净化系统，试验设备控制系统，数据采集系统以及辅助设施与设备，给水与净化系统为冷水箱、热水箱及试验水箱提供给水，并对给水水源进行净化，包括给水泵和水质净化设备；

试验设备控制系统用于控制各电动阀门、开关的启动、关闭，并设置功率调节装置以控制和调节试验台架中各电加热装置的加热功率，其包括电加热器及空气冷却器；

数据采集系统包括应变片、热电偶、电磁流量计、温度计和压力计；

辅助设施与设备包括管道、阀门和水箱。

优选的，试验设备控制系统与数据采集系统整合为自动控制台，全面调控实验台架各部分的运行情况并监督各工况下的运行参数。

优选的，中心测量柱试验件的下封头近壁面处沿高度方向布置4层铁网，用于固定热电偶，每层热电偶均以中心操作头为圆心均匀布置；模拟操作头附近，在流体交界面方向均匀布置有四层热电偶；流体交界面的高度上均匀布置若干监测点，用于测量冷、热流体交界面上的温度场。

优选的，试验水箱底部外壁焊接有支撑柱，所述支撑柱为3个且互呈120°均匀排列，所述支撑柱采用304不锈钢。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)本发明提供了一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，通过本发明的试验台架能够得到：模拟操作头附近冷、热流体交界面的温度场、速度场；冷、热模拟操作头之间的流体温度场；中心测量柱试验件的下封头近壁面处的流体温度场，并可以将以上试验数据与数值模拟软件对于这些工况下计算得出的堆芯出口处的三维温度场、三维速度场、中心测量柱试验件的下封头近壁面处流体温度等监测点关键参数随时间变化的曲线进行对比。

2)本发明提供了一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，通过本发明的试验台架能够得到：模拟操作头附近冷、热流体交界面的温度的振荡频率；不同流量下，中心测量柱试验件的下封头近壁面处的流体温度振荡频率，并可以将以上试验数据与数值模拟软件对于该工况下计算得出的堆芯出口处钠流体的温度振荡频谱图进行对比分析。

附图说明

图1为本发明的整体连接示意图；

图2为本发明的试验段主系统的示意图；

图3为发明的试验水箱的内部结构示意图；

图4为本发明的模拟中心操作头的结构示意图；

图5为本发明的试验水箱设计三视图；

图6为本发明的热电偶测点布置图；

图7为图6中A截面上热电偶的布置图；

图8为图6中B截面上热电偶的布置图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一个宽泛实施例中，一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，包括试验段主系统，所述试验段主系统包括试验水箱、中心测量柱试验件、操作头组件试验件和导流筒，其中，所述试验水箱由两个不同直径的圆筒焊接在一起，所述中心测量柱试验件焊接在试验水箱顶面中心位置，所述操作头组件试验件包括三个模拟操作头，三个模拟操作头围绕着试验水箱的轴线均匀焊接在试验水箱底面上，呈三叶梅花状的导流筒围绕着模拟操作头焊接在试验水箱底面上，三个模拟操作头的下端分别与给水管道焊接为一体，通过控制不同给水管道内流体的温度和流量，使从模拟操作头出来的流体沿导流筒向上流动，冲在中心测量柱试验件的下封头后向四周流动，继而从两侧的排水管道流出，以研究不同工况下中心测量柱试验件的下封头表面的温度振荡情况及其造成的疲劳影响。

优选的，导流筒的高度由原型的流场高度来决定，中心测量柱试验件的下封头模拟简化为厚度与原型相同的圆板，模型与原型直径缩比0.12:1；

模拟操作头的出口范围高度采用流体高度的五分之一，模拟操作头出口尺寸的确定须满足下列三个条件：

②ν_m＝ν，其中，ν_m为模拟操作头出口流速，ν为原型操作头出口流速；

②

其中，Q_m为模拟操作头总流量，A_m为模拟操作头出口流域横截面积，Q为原型操作头总流量，A为原型操作头出口流域横截面积；

③P≤600KW，P为试验加热功率。

优选的，模拟操作头模拟原型操作头的形状，拟设计为在580KW功率下，在保证模拟操作头出口流速与原型操作头出口流速相等下，模拟操作头与原型操作头的出口尺寸比例为0.68:1，模拟操作头的间距以及其他尺寸与原型操作头保持一致；在保证模拟操作头出口流速不变的情况下，中心操作头的出流截面只有两个出口大小，包括一个完整的面向试验水箱轴线的出口和两个1/2出口。

优选的，所述试验水箱除其顶部焊接中心测量柱试验件的部分外，其余部分均采用304不锈钢，模拟操作头采用304不锈钢材质。

优选的，试验水箱的底面焊接有溢流环板，溢流环板采用304不锈钢材质。

优选的，试验水箱底面开设有3个流体进口的孔，试验水箱底面设有给水管道的接口。

优选的，所述试验台架还包括给水与净化系统，试验设备控制系统，数据采集系统以及辅助设施与设备，给水与净化系统为冷水箱、热水箱及试验水箱提供给水，并对给水水源进行净化，包括给水泵和水质净化设备；

试验设备控制系统用于控制各电动阀门、开关的启动、关闭，并设置功率调节装置以控制和调节试验台架中各电加热装置的加热功率，其包括电加热器及空气冷却器；

数据采集系统包括应变片、热电偶、电磁流量计、温度计和压力计；

辅助设施与设备包括管道、阀门和水箱。

优选的，试验设备控制系统与数据采集系统整合为自动控制台，全面调控实验台架各部分的运行情况并监督各工况下的运行参数。

优选的，中心测量柱试验件的下封头近壁面处沿高度方向布置4层铁网，用于固定热电偶，每层热电偶均以中心操作头为圆心均匀布置；模拟操作头附近，在流体交界面方向均匀布置有四层热电偶；流体交界面的高度上均匀布置若干监测点，用于测量冷、热流体交界面上的温度场。

优选的，试验水箱底部外壁焊接有支撑柱，所述支撑柱为3个且互呈120°均匀排列，所述支撑柱采用304不锈钢。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合优选实施例和附图，对本发明进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限制本发明。

为了模拟七组操作头之间的温度振荡现象，试验总共设置了5种不同流量组合下的工况，分别为高流量-高流量、低流量-低流量、高流量-低流量、低流量-低流量、低温-高温五种工况分别记为H-H 01验证试验、L-L 01验证试验、H-L 01验证试验、L-H 01验证试验以及L-H T01对比试验。由于最后一种工况对加热功率的要求比较严苛，因此试验的主要目的是将对上述的前四种工况进行验证。其中，试验拟设计3组模拟操作头(包含冷流体喷口和热流体喷口)，热流体通过的模拟操作头记为中心操作头C1，其流量为通过单组模拟操作头流量的1/3，冷流体通过的模拟操作头分别记为S1和S2。

试验主要监测的位置如下：①中心测量柱试验件的下封头近壁面：冷、热流体从三组模拟操作头流出后，向上搅混流动，在下封头附近尚未混合均匀，产生温度振荡；②模拟操作头C1与S1(或S2)对称面：冷、热流体从三组模拟操作头流出后，在模拟操作头C1和S1的对称界面上形成冷热流体交界面；③3组模拟操作头的对称中心轴线：3组模拟操作头冷热流体喷口的中心交汇点，冷、热流体在该处的温度振荡现象最为剧烈。

以上三个监测位置对应的试验主要测量的参数如下：①中心测量柱试验件下封头近壁面处的流体温度；②在模拟操作头高度上，测量冷热流体交界面处不同位置的温度；③测量沿中心轴线不同高度处的温度。

对于上面列出的每个试验工况，为保证试验数据的准确性、消除偶然误差，并且满足分析试验数据不确定度、分析误差来源的需要，每组试验工况需要重复试验3～5次。

对于本发明中的关键设备，其设计主要包括与试验段相关的重要部件的尺寸、结构、材料的设计，主要包括试验水箱、模拟操作头、导流筒等。

对于关键设备的设计考虑如下：

(1)试验水箱设计：试验水箱结构三视图如图5所示。试验水箱为圆筒型结构水箱，除与水箱顶部焊接的中心测量柱试验件外，试验水箱的底面与侧面材料为304不锈钢；试验水箱的底面焊接溢流环板，材料也为304不锈钢；试验水箱底面开3个流体进口的孔，并在底面焊接冷却剂导流筒；此外，试验水箱底面设计给水管道的接口。

进/出水管：为试验水箱提供给水与排水通道，水管通过法兰连接到相关给水管道、排水管道，方便试验水箱的拆卸、组装，保证各系统具有一定的相对独立性。

支撑柱：在试验水箱底部焊3个互呈120°的支撑柱，为试验提供足够的承压能力，保证试验能够正常安全进行，支撑柱材料一般可采用圆钢，材质为304不锈钢，具体尺寸需要进一步确定整个试验段的负载来决定。

试验水箱不锈钢材料的设计在一方面考虑其承压要求，另一方面考虑其耐腐蚀性、加工性能。本试验水箱整体选用304不锈钢板(I级，密度7.93g/cm3)。304不锈钢具有良好的耐腐蚀性，耐热性，低温强度和机械特性；冲压弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象，其抗腐蚀能力优秀，在未进行热处理的情况下，亦能保持良好的耐腐蚀性，使用温度-196℃～800℃。

(2)操作头组件试验件的设计：模拟操作头安装在试验水箱底面中心位置，模拟操作头底部焊接在试验水箱底板上，模拟操作头底面与试验水箱底面位于同一水平线上，由此可固定3组模拟操作头之间的相对位置。模拟操作头的材料也采用304不锈钢材质。

根据上述试验设计的相关参数，操作头出口尺寸的确定须满足下列三个条件：

①ν_m＝ν。其中，ν_m为模拟操作头出口流速，ν为原型操作头出口流速；

②

其中，Q_m为模拟操作头总流量，A_m为试验模型出口流域横截面积，Q为原型操作头总流量，A为原型操作头出口流域横截面积。

③P≤600KW。P为试验加热功率。

以七组原型操作头1/3对称模型为例：

Q＝ρνA_ex＝817.77×ν×0.01642＝17.12Kg/s

v_m＝ν＝1.27499m/s

其中，Q为通过单个原型操作头的质量流量，v为流速，A_ex为原型操作头的六个出口面积之和，ρ为钠流体密度。

Q_m＝9.646Kg/s

又由

Q_m＝ρ_mν_mA_ex,m＝992.2×1.27499×A_ex，m＝9.646Kg/s

A_ex，m＝0.007625m²

则

其中，l_ex，m为模拟操作头出口的尺寸，l_ex为原型操作头出口的尺寸。因此，模拟操作头的出口尺寸与原型操作头的缩小比例为：0.68。此外，加热功率为：

P＝C_mQ_mΔT＝4.2×9.646×5.7×2＝461.85KW≤600KW

即该模型缩比满足试验设计的功率要求。

其中，C_m为试验模型中水的比热容，ΔT为冷热流体混合后的平均温度与冷流体温度之间的差值。其值由下面两式确定：

ΔT＝T_avg-T_c

其中，T_avg为冷热流体混合后的平均温度，T_c为冷流体温度，T_h热流体温度，m_c为冷流体质量，m_h为热流体质量。

(3)导流筒设计：导流筒的结构设计为三叶梅花状，如图6所示。模拟操作头出口范围高度经过试算，采用流体高度的五分之一。

特别地，对于本发明的试验设备控制系统具体描述如下：

(1)所有试验台待测物理量有温度、压力、流量和液位，每一类型待测物理量均有若干路通道。能够对各路信号进行自动数据采集，实现测试数据的有效管理。

(2)被控对象主要有电动调节阀、电磁阀、继电器开关等电动执行机构，实现开环数字控制，根据预设控制算法改变某些开关的状态；开环模拟控制，控制某些电动调节阀开度；闭环自动控制，调节某些电动调节阀开度。

(3)功率控制系统具有自动保护功能，防止意外工况下换热器超功率运行。

(4)试验设备控制系统与数据采集系统集成设计，全面监控实验台架各部分的运行工况并监视各工况下的运行参数。

(5)系统具有较高的稳定性和可靠性，操作简单，维护和管理方便

特别地，对于本发明的数据采集系统具体描述如下：

数据采集系统硬件部分包括传感器(温度传感器、压力传感器、流量传感器、探针测量数据处理器等)、端子板、数据采集卡及用于连接数据采集卡和端子板的扁平电缆、电流电压转换板等。

数据采集系统基于NI LabVIEW实现，LabVIEW功能强大，为我们提供了大量的底层驱动接口函数，可以帮助快速建立起数据采集程序以及对采集到的数据进行后续的分析和处理。

特别地，对于本发明的测量系统具体描述如下：

温度测点布置如图6，图7，图8所示。在中心测量柱试验件下封头近壁面处沿高度方向布置4层铁网(30.25mm×26.2mm)，用于固定热电偶，每层热电偶的布置如图7所示，热电偶测点以中心操作头为圆心均匀布置。热电偶线可从带孔的密封圈中引向试验水箱外。模拟操作头附近，热电偶均匀布置在流体交界面方向，如图8所示，共四层，且沿冷、热流体交界面的高度上均匀布置若干监测点，用于测量冷、热流体交界面上的温度场，如图6所示。

本发明中设计了试验后分析方案，即针对上述各种试验工况，通过试验值与实际模型的数值模拟结果的比较，采用商业有限元软件进行试验后计算(Post-TestCalculation)。通过实验前计算结果与实验值的比较，重新评定模拟的几何区域、边界条件及计算模型选取的合理性，进行改进，并进行试验后的数值模拟，获取精确的计算结果，消除试验前分析方案中人为因素的影响。

试验后验证计算工况的设置，包括：①高流量-高流量试验工况；②低流量-低流量试验工况；③高流量-低流量试验工况；④低流量-高流量试验工况。

将原型数值计算方案结果与实际试验结果相对比，调整试验预分析方案中试验工况设定初始条件(包括计算模型、计算边界条件、流体物性及导流筒高度等边界条件)及时间步长，选取典型工况，根据工况设置情况，改变部分初始条件，对试验下的典型工况再次进行数值模拟。

本发明中设计了数据评价方案，即对于本旋塞中心柱热振荡试验台架，应保证试验数据能够正确反映原型工况下各测量参数的变化情况，保证试验数据的准确性。因此，需要评价试验台架能否模拟原型工况，试验台架模拟得到的现象能否反映原型工况下重要现象。得到的试验数据、试验预分析方案、试验后分析方案、CFR600堆芯出口钠热振荡数值模拟结果互为验证。

针对于上述不同流量工况下的验证试验，其数据评价方案为：

(1)在四种不同流量工况下，通过模拟操作头的冷、热流体在整个试验区域内的温度振幅控制在40℃以内，即最大温度振荡范围不超过40℃，中心测量柱试验件下封头近壁面的温度振幅大于或接近原型相同位置处的振幅。

中心柱热振荡试验台架用H-H 01、L-L 01、H-L 01、L-H 01试验模拟堆芯出口处相邻冷却剂通道之间的流量分配情况。本试验用计算设计的模拟操作头出口尺寸来模拟原型七组操作头1/3对称模型，经适当缩比后，保证通过各个模拟操作头的流量按照原型流量缩比；冷、热流体从该尺寸下的模拟操作头流出向上搅混流动，以模拟原型相邻操作头之间冷却剂的搅混流动。通过上述缩比试验、原型工况模拟来保证试验现象能够反映实际温度振荡现象，进一步保证试验数据的准确性，使试验得到的数据能够用于软件模型的验证。

(2)在四种不同流量工况下，通过模拟操作头的冷、热流体在整个试验区域内的温度振荡频率保持与原型的温度振荡频率近似相等。

在四种不同流量工况下，流体在模拟操作头内无温度波动，当流体流出模拟操作头后，由于向上流动过程中的扰动、混合作用，开始出现明显温度波动。但随着流体的继续上升、混合，该振荡逐渐减弱，上部中心测量柱试验件底面附近流体温度振荡相对较小。

中心柱热振荡试验台架用H-H 01、L-L 01、H-L 01、L-H 01试验模拟流体在不同位置处的温度振荡情况，为了避免从三个模拟操作头喷放出的不同温度的流体在未到达中心测量柱试验件下封头附近已经在试验水箱大空间内混合均匀。因此，在三个模拟操作头周围设计一个三叶梅花状的导流筒，以此来约束冷却剂的流场，以达到模拟原型冷、热流体在中心测量柱试验件下封头附近真实的温度振荡现象。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，包括试验段主系统，其特征在于，所述试验段主系统包括试验水箱、中心测量柱试验件、操作头组件试验件和导流筒，其中，所述试验水箱由两个不同直径的圆筒焊接在一起，所述中心测量柱试验件焊接在试验水箱顶面中心位置，所述操作头组件试验件包括三个模拟操作头，三个模拟操作头围绕着试验水箱的轴线均匀焊接在试验水箱底面上，导流筒围绕着模拟操作头焊接在试验水箱底面上，三个模拟操作头的下端分别与给水管道焊接为一体，通过控制不同给水管道内流体的温度和流量，使从模拟操作头出来的流体沿导流筒向上流动，冲在中心测量柱试验件的下封头后向四周流动，继而从两侧的排水管道流出，以研究不同工况下中心测量柱试验件的下封头表面的温度振荡情况及其造成的疲劳影响。

2.根据权利要求1所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述导流筒的高度由原型的流场高度来决定，所述中心测量柱试验件的下封头模拟简化为厚度与原型相同的圆板，模型与原型直径缩比0.12:1；

所述模拟操作头的出口范围高度采用流体高度的五分之一，模拟操作头出口尺寸的确定须满足下列三个条件：

①ν_m＝ν，其中，ν_m为模拟操作头出口流速，ν为原型操作头出口流速；

②

其中，Q_m为模拟操作头总流量，A_m为模拟操作头出口流域横截面积，Q为原型操作头总流量，A为原型操作头出口流域横截面积；

③P≤600KW，P为试验加热功率。

3.根据权利要求2所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述模拟操作头模拟原型操作头的形状，拟设计为在580KW功率下，在保证模拟操作头出口流速与原型操作头出口流速相等下，模拟操作头与原型操作头的出口尺寸比例为0.68:1，模拟操作头的间距以及其他尺寸与原型操作头保持一致；在保证模拟操作头出口流速不变的情况下，中心操作头的出流截面只有两个出口大小，包括一个完整的面向试验水箱轴线的出口和两个1/2出口。

4.根据权利要求1所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述试验水箱除其顶部焊接中心测量柱试验件的部分外，其余部分均采用304不锈钢，模拟操作头采用304不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述试验水箱的底面焊接有溢流环板，溢流环板采用304不锈钢材质。

6.根据权利要求1所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述试验水箱底面开设有3个流体进口的孔，试验水箱底面设有给水管道的接口。

7.根据权利要求1所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述试验台架还包括给水与净化系统，试验设备控制系统，数据采集系统以及辅助设施与设备，给水与净化系统为冷水箱、热水箱及试验水箱提供给水，并对给水水源进行净化，包括给水泵和水质净化设备；

试验设备控制系统用于控制各电动阀门、开关的启动、关闭，并设置功率调节装置以控制和调节试验台架中各电加热装置的加热功率，其包括电加热器及空气冷却器；

数据采集系统包括应变片、热电偶、电磁流量计、温度计和压力计；

辅助设施与设备包括管道、阀门和水箱。

8.根据权利要求7所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述试验设备控制系统与数据采集系统整合为自动控制台，全面调控实验台架各部分的运行情况并监督各工况下的运行参数。

9.根据权利要求7所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述中心测量柱试验件的下封头近壁面处沿高度方向布置4层铁网，用于固定热电偶，每层热电偶均以中心操作头为圆心均匀布置；模拟操作头附近，在流体交界面方向均匀布置有四层热电偶；流体交界面的高度上均匀布置若干监测点，用于测量冷、热流体交界面上的温度场。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种研究快堆旋塞中心柱热振荡的试验台架，其特征在于，所述试验水箱底部外壁焊接有支撑柱，所述支撑柱为3个且互呈120°均匀排列，所述支撑柱采用304不锈钢。

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