CN114093539A - 一种球形燃料流场与压场测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形燃料流场与压场测量实验装置，可视化试验筒体内填充有若干PMMA球，可视化试验筒体的底部设置有蜂窝板，其中，所述蜂窝板与波纹管的上端相连接，波纹管的下端与入口段的上端相连通，入口段的下端封闭，入口段的侧面设置有若干流道入口，可视化试验筒体的顶部与出口段相连接，出口段的侧面设置有流道出口，出口段的顶部设置有透明结构的上封头，上封头上设置有排气孔，激光器正对可视化试验筒体的侧面，第一CCD高速相机正对所述上封头，第二CCD高速相机正对可视化试验筒体的侧面；该装置消除球床燃料元件内部的光路遮挡及畸变，实现流场的精细化测量。

Description

一种球形燃料流场与压场测量实验装置

技术领域

本发明属于流体力学及核反应堆热工水力技术领域，涉及一种球形燃料流场与压场测量实验装置。

背景技术

堆芯燃料元件是反应堆的核心，其性能直接关系到反应堆的安全运行。采用石墨作为基体材料，内部弥散分布TRISO(Tristructural-isotropic)燃料颗粒具有耐高温特点，在1600℃仍能保证将裂变产物限制在燃料球内部，防止放射性物质向外扩散。这项燃料技术有效地提高了反应堆的固有安全性，且其具有的耐高温特点能使反应堆获得更高的冷却剂出口温度，进一步为提高了系统运行效率与经济水平奠定了基础。

大量燃料球放入压力容器内形成了具有随机特征的球体堆积结构，因此球床通道通常具有较为复杂的几何结构。当流体流经球床通道时，不均匀孔隙分布会造成不均匀的流动分布结构极大的影响了球床反应堆内的冷却剂温度特性。

当在激光诊断技术对复杂球床堆积结构流场进行研究时，最的大困难在于在球床燃料元件内部的光路遮挡与畸变。因此目前研究由于受到技术手段及复杂堆芯结构的限制，关于对于球形燃料元件热工水力特性的研究多停留在宏观参数预测，一些现象和机理并未在本质上得到有效揭示，这些问题制约着球形燃料元件的研发和设计工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种球形燃料流场与压场测量实验装置，该装置消除球床燃料元件内部的光路遮挡及畸变，实现流场的精细化测量。

为达到上述目的，本发明所述的球形燃料流场与压场测量实验装置包括可视化试验筒体、波纹管、入口段、出口段、激光器、第一CCD高速相机、第二CCD高速相机、恒温水箱及压差变送器；

可视化试验筒体内填充有若干PMMA球，可视化试验筒体的底部设置有蜂窝板，其中，所述蜂窝板与波纹管的上端相连接，波纹管的下端与入口段的上端相连通，入口段的下端封闭，入口段的侧面设置有若干流道入口，可视化试验筒体的顶部与出口段相连接，出口段的侧面设置有流道出口，出口段的顶部设置有透明结构的上封头，上封头上设置有排气孔，激光器正对可视化试验筒体的侧面，第一CCD高速相机正对所述上封头，第二CCD高速相机正对可视化试验筒体的侧面；

恒温水箱的底部出口与所述流道入口相连通，所述流道出口与恒温水箱的入口相连通，压差变送器与可视化试验筒体侧壁上的测压孔相连通。

引压孔倾斜向上分布。

还包括加热器、冷却器、三通阀门、球阀、过滤器、流量计及热电偶；

加热器及冷却器均位于恒温水箱内；

恒温水箱的底部出口经三通阀门、球阀、过滤器、流量计及热电偶与所述流道入口相连通。

恒温水箱顶部侧面的出口经离心泵与三通阀门相连通。

还包括控制机、变频器及滤波器；

控制机通过变频器及滤波器与离心泵相连接。

还包括采集系统；采集系统与压差变送器、热电偶及流量计相连接。

可视化试验筒体由长方形有机玻璃板粘接而成，波纹管为皮革可伸缩材质制成。

恒温水箱中的工质为对异丙基苯甲烷。

各流道入口沿周向均匀对称分布。

所述蜂窝板通过第一法兰盘及固定法兰与波纹管的上端相连接。

可视化试验筒体的顶部通过第二法兰盘与出口段相连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的球形燃料流场与压场测量实验装置在具体操作时，工质由流道入口流经蜂窝板，使得工质以均匀湍流形式进入可视化试验筒体，工质流经各PMMA球的孔隙，在堆积结构作用下形成复杂流场状态，随后流道出口流出；第一CCD高速相机及第二CCD高速相机通过可视化试验筒体的侧面与上封头俯视拍摄面，以拍摄任意横、纵截面PMMA球孔隙间流场信息，消除球床燃料元件内部的光路遮挡及畸变，同时引压孔倾斜向上分布，避免压差变送器测量该截面压力时PMMA球对引压孔堵塞影响测量结果，实现流场的精细化测量。

附图说明

图1为本发明中可视化试验筒体的示意图；

图2为本发明的结构示意图。

其中，1为流道入口、2为波纹管、3为第一法兰盘、4为固定法兰、5为蜂窝板、6为引压孔、7为PMMA球、8为可视化试验筒体、9为第二法兰盘、10为流道出口、11为上封头、12为排气孔、13为激光器、14为第二CCD高速相机、15为激光平面、16为控制机、17为变频器、18为滤波器、19为恒温水箱、20为加热器、21为冷却器、22为离心泵、23为三通阀门、24为球阀、25为过滤器、26为采集系统、27为热电偶、28为流量计、29为压差变送器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1及图2，本发明所述的球形燃料流场与压场测量实验装置包括流道入口1、波纹管2、第一法兰盘3、固定法兰4、蜂窝板5、引压孔6、PMMA球7、可视化试验筒体8、第二法兰盘9、流道出口10、上封头11、排气孔12、激光器13、第二CCD高速相机14、激光平面15、控制机16、变频器17、滤波器18、恒温水箱19、加热器20、冷却器21、离心泵22、三通阀门23、球阀24、过滤器25、采集系统26、热电偶27、流量计28及压差变送器29；

可视化试验筒体8的底部设置有蜂窝板5，其中，所述蜂窝板5通过第一法兰盘3及固定法兰4与波纹管2的上端相连接，波纹管2的下端与入口段的上端相连通，入口段的下端封闭，入口段的侧面设置有流道入口1，可视化试验筒体8的顶部通过第二法兰盘9与出口段相连接，出口段的侧面设置有流道出口10，出口段的顶部设置有上封头11，上封头11上设置有排气孔12，在工作时，激光器13正对可视化试验筒体8的侧面，第一CCD高速相机正对所述上封头11，第二CCD高速相机14正对可视化试验筒体8的侧面；

恒温水箱19的底部出口经三通阀门23、球阀24、过滤器25、流量计28及热电偶27与所述流道入口1相连通，所述流道出口10与恒温水箱19的入口相连通，恒温水箱19顶部侧面的出口经离心泵22与三通阀门23相连通；控制机16通过变频器17及滤波器18与离心泵22相连接，采集系统26与压差变送器29、热电偶27及流量计28相连接，其中，压差变送器29与可视化试验筒体8侧壁上的测压孔相连通，加热器20及冷却器21均位于恒温水箱19内。

在实验时，通过恒温水箱19中的加热器20与冷却器21实现循环回路中工质温度的控制，通过热电偶27测量流道入口1处工质的温度，回路中的工质在离心泵22的驱动下循环流动，通过控制球阀24的开度以及离心泵22转速，以调节回路中工质的流量，采集系统26通过流量计28、热电偶27及压差变送器29对工质的流量、温度以及可视化试验筒体8中两个测点之间的压差进行测量，实验过程中将回路充满工作流体，通过排气孔12将回路中的空气排出；

可视化试验筒体8由长方形有机玻璃板粘接而成，波纹管2为皮革可伸缩材质制成，避免试验过程中流体温度改变所造成的热应力撑坏实验本体；工质由流道入口1流经蜂窝板5，使得工质以均匀湍流形式进入可视化试验筒体8，工质流经各PMMA球7的孔隙，在堆积结构作用下形成复杂流场状态，随后流道出口10流出；通过可视化试验筒体8的侧面与上封头11俯视拍摄面，第一CCD高速相机及第二CCD高速相机14可以拍摄任意横、纵截面PMMA球孔隙间流场信息，通过调节激光拍摄平面与相机焦距，即可实现单通道、多通道和全场的测量。

通过滤波器18消除变频器17工作时，对数字电子设备产生干扰的频谱分量。

PMMA球7为刚性材料，可以在高流速冲击下保证不发生形变。

工质为对异丙基苯甲烷，PMMA球7在该工质中具有很好的光学性能，激光穿过两种材料交界面时不会发生光学畸变以及强烈反光等现象。

各流道入口1沿周向均匀对称分布，工质经蜂窝板5后以均匀湍流形式进入可视化试验筒体8中进行混合，最大程度抑制泵压头变化所产生的大尺度旋涡结构，确保入口流量为均匀入口速度边界条件。

引压孔6的轴线与竖直方向之间的夹角为70°，避免压差变送器29测量该截面压力时PMMA球对引压孔6堵塞影响测量结果。

排气孔12开设于上封头11上，以排除回路中干扰测量的不凝性气体。

综上所述，本发明中，可视化试验筒体8能够保证激光片光可以从任意角度穿过PMMA球孔隙为测量区域提供激光照明，保证PIV、LDV等技术在球床通道流场和温场测量方便的应用，解决了可视化测量在PMMA球内部的光路遮挡与畸变的难题，实现PMMA球或多孔介质等复杂结构内横截面与纵截面流场的精细化测量，另外，倾斜分布的引压孔6能够实现通道内压降数据的高保真测量。

以上内容是结合具体的优选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权力要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，包括可视化试验筒体(8)、波纹管(2)、入口段、出口段、激光器(13)、第一CCD高速相机、第二CCD高速相机(14)、恒温水箱(19)及压差变送器(29)；

可视化试验筒体(8)内填充有若干PMMA球(7)，可视化试验筒体(8)的底部设置有蜂窝板(5)，其中，所述蜂窝板(5)与波纹管(2)的上端相连接，波纹管(2)的下端与入口段的上端相连通，入口段的下端封闭，入口段的侧面设置有若干流道入口(1)，可视化试验筒体(8)的顶部与出口段相连接，出口段的侧面设置有流道出口(10)，出口段的顶部设置有透明结构的上封头(11)，上封头(11)上设置有排气孔(12)，激光器(13)正对可视化试验筒体(8)的侧面，第一CCD高速相机正对所述上封头(11)，第二CCD高速相机(14)正对可视化试验筒体(8)的侧面；

恒温水箱(19)的底部出口与所述流道入口(1)相连通，所述流道出口(10)与恒温水箱(19)的入口相连通，压差变送器(29)与可视化试验筒体(8)侧壁上的测压孔相连通；

引压孔(6)倾斜向上分布。

2.根据权利要求1所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，还包括加热器(20)、冷却器(21)、三通阀门(23)、球阀(24)、过滤器(25)、流量计(28)及热电偶(27)；

加热器(20)及冷却器(21)均位于恒温水箱(19)内；

恒温水箱(19)的底部出口经三通阀门(23)、球阀(24)、过滤器(25)、流量计(28)及热电偶(27)与所述流道入口(1)相连通。

3.根据权利要求2所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，恒温水箱(19)顶部侧面的出口经离心泵(22)与三通阀门(23)相连通。

4.根据权利要求3所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，还包括控制机(16)、变频器(17)及滤波器(18)；

控制机(16)通过变频器(17)及滤波器(18)与离心泵(22)相连接。

5.根据权利要求2所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，还包括采集系统(26)；采集系统(26)与压差变送器(29)、热电偶(27)及流量计(28)相连接。

6.根据权利要求1所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，可视化试验筒体(8)由长方形有机玻璃板粘接而成，波纹管(2)为皮革可伸缩材质制成。

7.根据权利要求1所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，恒温水箱(19)中的工质为对异丙基苯甲烷。

8.根据权利要求1所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，各流道入口(1)沿周向均匀对称分布。

9.根据权利要求1所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，所述蜂窝板(5)通过第一法兰盘(3)及固定法兰(4)与波纹管(2)的上端相连接。

10.根据权利要求9所述的球形燃料流场与压场测量实验装置，其特征在于，可视化试验筒体(8)的顶部通过第二法兰盘(9)与出口段相连接。

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