CN113393948B - 一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，包括入口腔室、与入口箱式连接的平行平板通道缓冲室、设置在入口腔室与平行平板通道缓冲室连接处的流量分配孔板、大空间箱体、设置在大空间箱体上的上封头、设置在上封头上的出水管道、设置在大空间箱体下端的低点放水阀、设置在大空间箱体内的带补水孔的分隔板，所述平行平板通道缓冲室为阶梯状，且在平行平板通道缓冲室上段中间设置有多缝平行平板通道，平行平板通道缓冲室上端部通过槽道嵌套入至大空间箱体中并与分隔板连接；上封头设置有排气孔和出水管道。本发明结构设计巧妙，克服传统试验装置流场测量范围局限，实验装置影响流场结构的问题。

Description

一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置
技术领域
本发明属于一种用于研究板状燃料元件出口射流交混与流场演变现象的可视化实验装置，应用于板状燃料元件流量分配、射流交混及流束发展和扩散特性等流场信息的研究，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
板状燃料堆芯具有结构紧凑、功率密度高和换热能力强等优势，自上世纪六十年代以来便被广泛应用于船用动力堆、材料堆和实验堆中。平行平板窄矩形通道与板状燃料元件具有很大的相似性且研究方便，因此被广泛用于模拟板状燃料元件。冷却剂水在反应堆回路中泵的驱动下，以射流的形式流出燃料组件。单束射流流体与周围流体之间存在间断面，这种间断面受到干扰后会失去稳定产生漩涡卷吸周围流体与流束不断地进行质量与动量交换，从而产生复杂的流体搅混现象。板状燃料元件出口冷却剂流动属于多缝射流，除具有单射流的特征，同时包含有流束间的卷吸、汇合、搅混等相互作用，会增加流场的不稳定性结构。船用反应堆冷却剂的流动受到海洋摇摆条件影响，在附加加速度作用下产生流量波动。流量波动会加剧冷却剂出口射流的不稳定状态，通过影响冷却剂的流动，间接影响反应堆的热工安全，所以研究板状燃料元件出口大空间射流流场结构，与射流后流束的发展特性得到其流场分布特点和发展规律，对发现板状燃料元件设计的薄弱点，改进板状燃料出口结构形式，提高反应堆运行安全性具有重要研究意义。有学者开展了平行平板多射流的研究，但多限于有限空间射流，流束受到壁面空间的影响，对于开展局部和全局射流流场结构研究易造成较大误差，无法掌握板状燃料元件出口射流汇聚后的流场演变细节，因此，难以满足对多射流交汇到流场发展汇聚过程的全流场发展和演变规律的研究需要。
发明内容
本发明的目的是为了提供了一种板状燃料元件出口大空间射流流场演变过程可视化实验装置，本发明结构设计巧妙，能够克服传统试验装置流场测量范围局限，实验装置影响流场结构的问题。
本发明的目的是这样实现的：包括入口腔室、与入口箱式连接的平行平板通道缓冲室、设置在入口腔室与平行平板通道缓冲室连接处的流量分配孔板、大空间箱体、设置在大空间箱体上的上封头、设置在上封头上的出水管道、设置在大空间箱体下端的低点放水阀、设置在大空间箱体内的带补水孔的分隔板，所述平行平板通道缓冲室为阶梯状，且在平行平板通道缓冲室上段中间设置有多缝平行平板通道，平行平板通道缓冲室上端部通过槽道嵌套入至大空间箱体中并与分隔板连接，且平行平板通道缓冲室通过加装有机玻璃条与大空间箱体连接；分隔板上设置有与多缝平行平板通道相适应的孔；上封头设置有排气孔和出水管道。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述带补水孔的分隔板将大空间分割为试验空间和储水空间，带补水孔的分隔板是指在分隔板的对角处开孔。
2.入口腔室和平行平板通道缓冲室、大空间箱体和上封头之间均通过法兰连接，其中垫有橡胶片密封防漏。
3.低点放水阀为闸阀或截止阀。
4.所述多缝平行平板通道由等厚透明有机玻璃板通过等厚垫片支撑，并在通风环境下胶接而成，多缝平行平板通道的非试验区域开条形孔，可被水填充。
5.上封头设置有排气孔是指：上封头钻有小孔，并用胶水粘有锥形排气孔，该排气孔位于上封头边角位置，采用锥形橡胶塞堵漏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)流场还原性高，大空间实验段采用全透明有机玻璃设计，其高度和侧壁面对射流主流影响可忽略不计；(2)可采集流场信息更广，射流出口具有较大空间，既可拍摄近出口射流汇聚区域，又可跟踪拍摄射流汇聚后沿流向和垂直流向的发展过程；(3)设计巧妙，规避光路影响，稳定试验装置，储水腔室空间可被水填充，减少了气液两相交界面因激光照射产生的折射和反射所导致的拍摄误差，同时该空间的水重心较低，可保证拍摄区域在流体冲击下保持稳定；(4)扩展性强，多缝平行平板通道可向外延伸出大空间，进行板状燃料元件内部流场的拍摄和测量。
附图说明
图1为本发明的板状燃料元件出口大空间射流可视化装置剖面图；
图2为板状燃料元件出口大空间射流可视化装置轮廓图；
图3为本发明的多缝平行平板通道示意图；
图4为本发明的多缝平行平板通道出口平面图；
图5为本发明的实验装置在试验中回路中的布局。
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，是本发明的板状燃料元件出口大空间射流可视化装置剖面图，该试验装置全部由透明有机玻璃材料加工而成，其高度和侧壁面对射流主流影响可忽略不计，可更为准确的还原流场信息，实现对多射流从分离到汇聚、交混再到流束发展过程的流场全场可视化采集。实验装置包括出水管道1、法兰盘型橡胶垫片2、带补水孔的分隔板3、低点放水阀4、流量分配孔板5、入口腔室6、入水孔7、平行平板通道缓冲室8、防漏水有机玻璃条9、多缝平行平板通道10、储水腔室11、大空间箱体12、试验腔室13、上封头14、排气孔15。入水孔7采用有机玻璃材料制成，内开有螺纹，一端与管道连接一端与入口腔室6胶接；平行平板通道缓冲室8和入口腔室6通过法兰连接，两部分结构均附有橡胶垫片，中间夹有对流束整流的作用的流量分配孔板5。多缝平行平板通道10设置平行平板通道缓冲室8上段，多缝平行平板通道10穿过底部开方槽的大空间箱体12，一端先用胶水与大空间箱体粘连，再采用有机玻璃条9粘在两部分结构处的夹角处，既可双重固定该结构，又可保证该处密封性；另一端通过开槽的带补水孔的分隔板3，将多缝平行平板通道出口平面与分隔板对齐，再采用胶水粘接。分隔板的四个侧面与大空间箱体粘接，以支撑和固定多缝平行平板通道。分隔板将大空间箱体分为储水腔室和试验腔室，可防止多缝平行平板通道出口下方水对试验空间的影响。分隔板对角开孔，保证储水腔室充满水，避免了气液交界面对激光的折射和反射，提高了拍摄效果；同时储水腔室重心较低，可保证试验装置在水流作用下保持稳定。储水腔室下方装有低点放水阀4，可用于更换试验装置中的工质。大空间箱体通过法兰和上封头14连接，两者之间夹有橡胶垫片密封，大空间箱体和上封头之间组成的试验空间足够大，保证不同流速下试验本体上部空间不会影响射流束。上封头14开有排气孔15，排气孔位置靠近上封头侧壁面，可保证流体充满箱体空间，同时不影响拍摄面；对称的出水口1布置，保证了出流的对称性，防止在箱体上部形成回流和旋涡而影响流速。
结合图2，是本发明实验装置的三维轮廓图，展示了实验装置安装后的整体效果。
结合图3，是本发明实验装置多缝平行平板通道细节图，等厚有机玻璃板16中间夹有等厚有机玻璃条17，保证了通道尺寸尽可能一致，为防止胶水腐蚀有机玻璃板通道，该操作在通风环境下完成。为方便多缝平行平板与入口腔室6连接，粘接了多缝平行平板通道过渡腔室18(也即是阶梯状部分直径较小的部分)，共同组成了阶梯状的平行平板通道缓冲室8。多缝平行平板通道伸出大空间箱体外围，即可实现射流和窄矩形通道两个研究部分的流场信息采集。
结合图4，是本发明实验装置多缝平行平板通道出口平面，等厚有机玻璃板16和等厚有机玻璃条17的粘连，形成等宽多缝射流通道。带补水孔的分隔板3的对角位置开有通水孔19，其位置靠近大空间箱体12的侧壁面，防止影响光路。
结合图5，是本发明实验装置回路图，试验回路中的设备包括：激光器20、电磁流量计21、变频泵22、三通阀23、循环水箱24、控制和采集系统25和高速相机26。变频泵22在控制和采集系统25的作用下，驱动工质在回路中流动。电磁流量计21测量通过试验装置的流量，激光器20为高速相机26的拍摄提供光源，高速相机和电磁流量计采集到的流场和流量数据最终输入控制和采集系统保存。循环水箱24高度高于实验装置，无泵驱动下即可实现自动补水。三通阀23位于循环水箱下游，用以控制流量和快速更换试验回路工质，配合低点放水阀4，可排空整个试验回路中的工质。

Claims (10)

1.一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：包括入口腔室、与入口腔室连接的平行平板通道缓冲室、设置在入口腔室与平行平板通道缓冲室连接处的流量分配孔板、大空间箱体、设置在大空间箱体上的上封头、设置在上封头上的出水管道、设置在大空间箱体下端的低点放水阀、设置在大空间箱体内的带补水孔的分隔板，所述平行平板通道缓冲室为上小下大的阶梯状，且在平行平板通道缓冲室上段中间设置有多缝平行平板通道，平行平板通道缓冲室上端部通过槽道嵌套入至大空间箱体中并与分隔板连接，且平行平板通道缓冲室通过加装有机玻璃条与大空间箱体连接；分隔板上设置有与多缝平行平板通道相适应的孔；上封头设置有排气孔和出水管道。
2.根据权利要求1所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：所述带补水孔的分隔板将大空间箱体分割为试验空间和储水空间，带补水孔的分隔板是指在分隔板的对角处开孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：入口腔室和平行平板通道缓冲室、大空间箱体和上封头之间均通过法兰连接，其中垫有橡胶片密封防漏。
4.根据权利要求3所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：低点放水阀为闸阀或截止阀。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：所述多缝平行平板通道由等厚透明有机玻璃板通过等厚垫片支撑，并在通风环境下胶接而成，多缝平行平板通道的非试验区域开条形孔，可被水填充。
6.根据权利要求3所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：所述多缝平行平板通道由等厚透明有机玻璃板通过等厚垫片支撑，并在通风环境下胶接而成，多缝平行平板通道的非试验区域开条形孔，可被水填充。
7.根据权利要求1或2或4所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：上封头设置有排气孔是指：上封头钻有小孔，并用胶水粘有锥形排气孔，该排气孔位于上封头边角位置，采用锥形橡胶塞堵漏。
8.根据权利要求3所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：上封头设置有排气孔是指：上封头钻有小孔，并用胶水粘有锥形排气孔，该排气孔位于上封头边角位置，采用锥形橡胶塞堵漏。
9.根据权利要求5所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：上封头设置有排气孔是指：上封头钻有小孔，并用胶水粘有锥形排气孔，该排气孔位于上封头边角位置，采用锥形橡胶塞堵漏。
10.根据权利要求6所述的一种板状燃料元件出口大空间射流可视化实验装置，其特征在于：上封头设置有排气孔是指：上封头钻有小孔，并用胶水粘有锥形排气孔，该排气孔位于上封头边角位置，采用锥形橡胶塞堵漏。
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