CN114023473A - 基于凹凸透镜补偿法的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于凹凸透镜补偿法的测量装置，包括实验本体、流动系统、实验台架、激光光路系统和成像采集系统；所述实验本体为简化的压力容器，壁面为半圆形，由有机玻璃制成，装满水后可等效为一凸透镜，外侧套有充满水的有机玻璃圆形水箱，由于圆形水箱和实验本体外壁间水层的存在，基于凹凸透镜补偿法，更多数量的成像光线相交于同一点，原装置的球差被改善，提高了实验精度。发明采用混有激光染色剂的蔗糖溶液模拟高密度安注硼溶液，从而完成对浓度场的二维分布测量，其中，蔗糖溶液折射率与水相近，且不易对管路和设备产生腐蚀，实验本体外侧套有有机玻璃制成的圆形水箱，用于修正由于实验本体弧形壁面引入的正球。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种基于凹凸透镜补偿法的测量装置，属于流体力学、反应堆热工水力学、几何光学领域。
背景技术
在反应堆发生中小破口失水事故时，堆芯应急冷却系统启动，将安全注射水箱中的高浓度含硼水注入压力容器，淹没堆芯以保证反应堆安全。在安注过程中，注入的含硼水在下腔室和堆芯入口内的运输扩散情况会直接影响到堆芯的反应性变化，进而影响堆芯内的热功率分布。因而，精确测量含硼溶液在反应堆下腔室中和堆芯中的扩散行为，对反应堆的安全运行有着重要的意义，并受到相关科研工作者的重视。目前，对于反应堆压力容器下腔室和堆芯的浓度场研究主要采用数值模拟和热工水力实验两种方法。数值模拟具有可实现性高、成本低、速度快、危险性低等优点，被广泛应用于各种实验模型的分析计算，并取得了良好的效果。然而，数值模拟中的实验环境往往过于理想化，无法完全模拟出真实情况，因此仍需要有效的实验数据来验证数值模拟的正确性。近年来，激光诱导荧光法(1aserinduced fluorescence，LIF)作为一种无接触式测量方法，开始被应用于流体浓度和温度的定量测量。对于下腔室和堆芯区域的LIF分析，是在稳定的循环回路流场环境中，从安注回路注入合适浓度的激光染色剂溶液，使其随原流体一起流动，分析这一过程中染色剂的浓度扩散行为，从而达到分析安注过程中含硼溶液扩散行为的目的。因此，需要一套经济、简单的实验装置来达成此目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于凹凸透镜补偿法的测量装置，用于测量安注过程中压力容器下腔室和堆芯二维浓度分布的系统，能够实现对可视化实验本体的下腔室和堆芯流体浓度场的实时测量，装置经济实惠，测量数据准确，测量范围广泛。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于凹凸透镜补偿法的测量装置，包括实验本体、流动系统、实验台架、激光光路系统和成像采集系统；所述实验本体为简化的压力容器，壁面为半圆形，由有机玻璃制成，装满水后可等效为一凸透镜，外侧套有充满水的有机玻璃圆形水箱，由于圆形水箱和实验本体外壁间水层的存在，基于凹凸透镜补偿法，更多数量的成像光线相交于同一点，原装置的球差被改善，提高了实验精度，流动系统由三组相互独立的流动回路组成，单组流动回路分为循环回路和安注回路，单组流动回路中的主要设备包括废液水箱、循环水箱、安注溶液水箱、增压泵、球阀、三通阀和流量计；激光光路系统包括二级管泵浦激光器和精密升降台；成像采集系统包括计算机和高速摄影仪。
进一步的，所述循环回路由T型管，第一流量计，第一球阀，第二球阀，第三球阀，第一增压泵，循环水箱，废液水箱以及相应管道组成，安注实验开始前，第三球阀处于开启状态，待流动回路的循环流量处于稳定状态后，关闭第三球阀；所述安注回路由T型管，第四球阀，第五球阀，三通阀，第二流量计，第二增压泵，安注水箱以及相应管道组成，安注实验时，三通阀开口方向处于T型管，使蔗糖安注溶液注入实验本体，安注过程结束后，切换三通阀至安注水箱，安注蔗糖溶液处于自循环状态，并开始准备下一组实验；
进一步的，所述实验本体用于模拟反应堆压力容器，其内部设置了流量分配和堆芯支撑板，在保证优异的可视化效果前提下尽可能地还原了堆芯内部的真实环境；
进一步的，两台激光器对称照射形成拍摄平面，激光器的高度由精密升降台控制，使两台激光器发出的激光面重叠，高速摄影仪负责观测记录堆芯区域和下封头区域的实验现象，并传输给计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.实验本体外侧套有有机玻璃制成的圆形水箱，用于修正由于实验本体弧形壁面引入的正球；
2.本发明的激光系统采用双侧激光对称照射实验本体，有效提高了观测面的激光亮度，增强了观测效果，提高了实验精度；
3.本发明采用激光诱导荧光技术，通过高速摄影仪连续拍摄激光染色剂的分布及变化情况，配合专业的图像后处理软件，能准确得到下腔室和堆芯区域的二维浓度分布；
4.本实验采用高精度升降台配合计算机进行激光器的高度调整，提高了实验精度；
5.本发明采用混有激光染色剂的蔗糖溶液模拟高密度安注硼溶液，从而完成对浓度场的二维分布测量，其中，蔗糖溶液折射率与水相近，且不易对管路和设备产生腐蚀。
附图说明
图1为本发明的试验本体结构示意图；
图2(a)为本发明激光光路系统与成像采集系统俯视拍摄示意图；
图2(b)为本发明激光光路系统与成像采集系统正视拍摄示意图；
图3为本发明实验本体的剖面示意图；
图4(a)为本发明采用凹凸透镜补偿法前原始光路图；
图4(b)为本发明采用凹凸透镜补偿法后修正光路图。
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。
结合附图1，本发明装置包括实验本体1、流动系统、实验台架、激光光路系统和成像采集系统五个部分；实验本体1采用透明度高、可视化良好的有机玻璃制成，是实验现象的观测区域；流动系统由三组相互独立的流动回路组成，可以更加真实的模拟压力容器三进三出的设计结构，使得实验更加接近真实情况。单组流动回路由循环回路以及安注回路组成：循环回路由T型管3，第一流量计4，第一球阀5，第二球阀6，第一增压泵7，循环水箱8，第三球阀9，废液水箱10以及相应管道组成，安注实验开始前，第三球阀9处于开启状态，待流动回路的循环流量处于稳定状态后，关闭第三球阀9；安注回路由T型管3，第四球阀11，三通阀12，第二流量计13，第二增压泵14，第五球阀15，安注水箱16以及相应管道组成，安注实验时，三通阀12开口方向处于T型管3，使蔗糖安注溶液注入实验本体1，安注过程结束后，切换三通阀12至安注水箱16，安注蔗糖溶液处于自循环状态，并开始准备下一组实验。实验台架由C型钢以及相关连接件搭建而成。激光光路系统由第一激光器17和第二激光器18以及精密升降台19，20组成，两台激光器采用对称的方式布置，形成亮度均匀的的二维观测平面。成像采集系统由高速摄影仪21，计算机22以及相应连接线组成，实验时高速摄影仪21用于采集实验现象，计算机22用于储存和分析实验数据。
结合附图2，附图2(a)和附图2(b)分别为俯视拍摄与正视拍摄堆芯或下封头时的光路布置图，均由第一激光器17和第二激光器18对称照射形成拍摄平面，激光器的高度由精密升降台19，20控制，使两台激光器发出的激光面重叠。高速摄影仪21负责观测记录堆芯区域23和下封头区域24的实验现象，并传输给计算机22。
结合附图3，附图3为实验本体的剖面图。本装置以华龙一号压力容器为原型，设置有流量分配器25和堆芯支撑结构26，使本体结构更加接近于真实堆芯结构。圆形水箱2由有机玻璃制成，安装在实验本体外部并充满去离子水，可以有效地改善由实验本体圆柱形装置结构带来的球差。
结合附图4，附图4(a)为原始光路图，由于实验本体的壁面为半圆形，装满水后可等效为一凸透镜，使得成像光线具有许多不一致的交点，相机观测的成像界面清晰度不一致，带来实验误差，而由于圆形水箱2和实验本体外壁1间水层的存在，如附图4(b)所示，基于凹凸透镜补偿法，更多数量的成像光线相交于同一点，原装置的球差被大大改善，提高了实验精度。
所述实验本体1为有机玻璃加工而成的简化压力容器，是实验现象的观测部分，用于模拟反应堆压力容器，其内部设置了流量分配25和堆芯支撑板26，在保证优异的可视化效果前提下尽可能地还原了堆芯内部的真实环境，实验本体1外侧套有有机玻璃制成的圆形水箱2，可以减小实际光线与光轴相交的实际象点相对于理想象点的偏离距离，从而减少成像球差。
所述流动系统包含三组相互独立的流动回路，单组流动回路分为循环回路和安注回路，其中安注回路采用混有激光染色剂的蔗糖溶液模拟高密度安注水，蔗糖溶液为有机物，不会对管道、流量计等设备产生腐蚀，且蔗糖溶液的折射率小于其他盐溶液，对实验结果的影响较小，三组流动回路中循环回路和安注回路均安装有精密电磁流量计4，13，通过观测流量计4,13示数以及调节各回路的球阀5，6，9，11，15开度，可保证各回路流量的一致性，减少实验误差。
所述激光光路系统中的主要设备有二级管泵浦激光器17，18和精密升降台19，20。激光器布置在实验本体1的两侧，有效的改善了单侧激光照射时，激光穿过实验本体1光强逐渐衰弱以及激光分布不均匀的缺点，同时，双侧激光交汇形成的观测面更明亮，便于相机拍摄。两侧的激光器17，18均放置在激光器精密升降台19,20上，精密升降台19,20由计算机22相关软件精密控制，误差在毫米量级，保证了激光面的水平高度。
本发明可以模拟压力容器堆芯以及半球形下腔室的冷却剂流动，利用混有激光染色剂的高密度蔗糖溶液模拟安注水，基于激光诱导荧光法，通过测量激光染色剂发出的不同程度荧光来测量流体流动的浓度场，从而对压力容器堆芯以及下腔室安注过程的浓度场进行可视化研究测量，本发明计获得的数据精度高，结果分析准确。
本发明装置工作可靠，操作方便，能够较好的开展相关科学研究工作。
以上内容是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为本发明由所提交的技术交底书确定专利保护范围。
Claims (4)
1.一种基于凹凸透镜补偿法的测量装置，其特征在于，包括实验本体、流动系统、实验台架、激光光路系统和成像采集系统；所述实验本体为简化的压力容器，壁面为半圆形，由有机玻璃制成，装满水后可等效为一凸透镜，外侧套有充满水的有机玻璃圆形水箱，由于圆形水箱和实验本体外壁间水层的存在，基于凹凸透镜补偿法，更多数量的成像光线相交于同一点，原装置的球差被改善，提高了实验精度，流动系统由三组相互独立的流动回路组成，单组流动回路分为循环回路和安注回路，单组流动回路中的主要设备包括废液水箱、循环水箱、安注溶液水箱、增压泵、球阀、三通阀和流量计；激光光路系统包括二级管泵浦激光器和精密升降台；成像采集系统包括计算机和高速摄影仪。
2.根据权利要求1所述的基于凹凸透镜补偿法的测量装置，其特征在于，所述循环回路由T型管，第一流量计，第一球阀，第二球阀，第三球阀，第一增压泵，循环水箱，废液水箱以及相应管道组成，安注实验开始前，第三球阀处于开启状态，待流动回路的循环流量处于稳定状态后，关闭第三球阀；所述安注回路由T型管，第四球阀，第五球阀，三通阀，第二流量计，第二增压泵，安注水箱以及相应管道组成，安注实验时，三通阀开口方向处于T型管，使蔗糖安注溶液注入实验本体，安注过程结束后，切换三通阀至安注水箱，安注蔗糖溶液处于自循环状态，并开始准备下一组实验。
3.根据权利要求1所述的基于凹凸透镜补偿法的测量装置，其特征在于，所述实验本体用于模拟反应堆压力容器，其内部设置了流量分配和堆芯支撑板，在保证优异的可视化效果前提下尽可能地还原了堆芯内部的真实环境。
4.根据权利要求1所述的基于凹凸透镜补偿法的测量装置，其特征在于，两台激光器对称照射形成拍摄平面，激光器的高度由精密升降台控制，使两台激光器发出的激光面重叠，高速摄影仪负责观测记录堆芯区域和下封头区域的实验现象，并传输给计算机。
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