CN115659875B - 一种棒束燃料组件试验装置及其试验参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棒束燃料组件试验装置及其试验参数获取方法，其包括竖直的透明通道，透明通道下端连通有进口通道，透明通道上端的侧壁上连通有出口通道，透明通道内间隙设置有若干均匀阵列布置的圆形棒束，圆形棒束的内部设置有产生预设功率的加热块，进口通道、出口通道上均设置有温度传感器，进口通道、出口通道以及位于圆形棒束上端、中部和下端的透明通道上均设置有压力传感器，透明通道的顶部和一侧分别间隙设置有横向拍摄相机和纵向拍摄相机；本方案将试验装置与仿真进行联立结合，延展了科研数据的获取渠道，丰富了棒束燃料组件装置流动与传热特性的研究深度，便于挖掘出更深层次的结论，具有很强的创新价值。

Description

一种棒束燃料组件试验装置及其试验参数获取方法

技术领域

本发明涉及试验流体力学技术领域，具体涉及一种棒束燃料组件试验装置及其试验参数获取方法。

背景技术

在流体领域，速度测量是了解流体行为的基本方式，速度是流场最基本的物理量，大多数描述流场结构的导出量，如脉动速度、湍流强度、湍动能、涡量、环量等都需要流场速度作为基本物理量。无论是高速流、低速流、管道流、棒束绕流、湍流、涡流、多相流等，这些流动都需要人们提供新的测量方法和测量仪器获得速度场的分布，从而为进一步了解这些流动现象与流场结构提供数据基础。

压水堆燃料组件的冷却剂通道为棒束形式，其内部的流动与传热特性直接影响到反应堆的经济性和安全性；若想提高反应堆的经济性，必须在满足最小烧毁比等准则的条件下，提高反应堆的功率等参数，而只有在准确预测流场，更好地获得流固耦合传热特性的基础上，才能提高反应堆功率等参数；为了对已设计好的燃料组件流动通道内的介质运动状态与详细参数进行精确分析，需搭建棒束组件试验装置，运用激光图像采集技术、定点数据采集技术等先进技术对棒束通道流场进行研究，分析测量结果，探索各因素对流场流动与换热的影响规律，但仅用试验装置进行纯试验分析存在以下问题：1）由于试验测量过程中测量点的布置数量具有局限性，仅能获取关键位置的流动与传热参数，导致宏观参数分布结果缺失；2）若试验工况过多，全部进行逐一试验将大大延长装置研究周期。

因此，试验装置由于空间布置受限，仅能从局部布置的传感器及CCD相机对关键点及区域进行信息获取，使得数据获取缺乏宏观指导性；当试验装置需要进行模型修改或试验条件变更时，也需要重新进行相应的试验，直接导致产品研发周期的延长；另外，现有试验方法也没有包络优化设计流程，无法推动模型性能提升，故急需建立一种棒束燃料组件试验装置的自动流体仿真方法，通过仿真模型可以弥补单一试验装置存在的上述问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种棒束燃料组件试验装置及其试验参数获取方法，解决了现有技术中试验装置测试数据有限的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种棒束燃料组件试验装置，其包括竖直的透明通道，透明通道下端连通有进口通道，透明通道上端的侧壁上连通有出口通道，透明通道内间隙设置有若干均匀阵列布置的圆形棒束，圆形棒束的内部设置有产生预设功率的加热块，位于圆形棒束下端的透明通道内设置有使流体截面流速均匀的整流器，进口通道、出口通道上均设置有温度传感器，进口通道、出口通道以及位于圆形棒束上端、中部和下端的透明通道上均设置有压力传感器，透明通道的顶部和一侧分别间隙设置有横向拍摄相机和纵向拍摄相机，横向拍摄相机、纵向拍摄相机、温度传感器和压力传感器均通过控制器与计算机电连接。

进一步地，整流器包括若干竖直的矩形整流通道，若干矩形整流通道在水平方向上呈阵列式的紧密排布，矩形整流通道的两端口设置有用于减少流量损失的半圆弧面。

基于仿真获取棒束燃料组件试验装置试验参数的方法，其包括以下步骤：

S1：采用棒束燃料组件试验装置在预设点位采集压力数据、温度数据和流体运动矢量图，并汇总形成试验数据库；

S2：构建与棒束燃料组件试验装置的形状和待测数据均一致的仿真模型；

S3：采集仿真模型的压力数据、压力分布图、温度数据、温度分布图和流体运动矢量图，汇总形成仿真数据库；

S4：对比仿真数据库中与试验数据库中对应的定点数据，若所有预设点位的定点数据的误差不大于预设误差，则进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S5：采用仿真模型获取棒束燃料组件试验装置无法测量的位置的数据；

S6：对仿真模型的尺寸进行调整，之后返回步骤S3。

本发明的有益效果为：

1.本方案的试验装置通过横向拍摄相机和纵向拍摄相机对流场分别进行横向和纵向拍摄，获取关注位置的流体运动矢量图，用以分析细节部位的流动情形，通过压力传感器与温度传感器获取指定位置实时的压力数据与温度数据，通过数据可反推试验装置内部流场的流动与传热特性，并将压力数据、温度数据和流体运动矢量图汇总形成试验数据库；而仿真模型与试验装置完全保持一致，通过精确仿真手段的实施，可获取对应位置的仿真压力数据、仿真温度数据和仿真流体运动矢量图，同时仿真模型具备数据获取不受空间限制的特点，因此还能得到试验装置无法获取的仿真压力分布图和仿真温度分布图，并汇总形成仿真数据库。

2.建立双向数据验证机制和判断准则，通过试验数据库与仿真数据库中对应定点数据的对比验证，可为提升试验准确性与细节捕捉能力提供有效依据，当试验数据库与仿真数据库中的定点数据的误差超过设定误差时，可通过规则调用网格划分参数化数值，使得仿真计算数据满足时应要求，从而确保数据的准确性和可用性。

3.本方案通过构建棒束燃料组件试验装置以及对应的仿真方法，将试验与仿真进行联立结合，通过两种手段对棒束燃料组件试验装置的性能参数进行摸索与分析，打通试验与仿真数据传输的纽带，鉴于仿真模型具备数据获取不受空间限制的特点，因此可对试验装置无法或不便进行测量的位置参量进行更为详细的分析，从而拓宽数据搭建维度，丰富数据库的数据体量，为完善试验数据提供有力支撑，进而延展了科研数据的获取渠道，丰富了棒束燃料组件装置流动与传热特性的研究深度，便于挖掘出更深层次的结论，具有很强的创新价值，同时可单独使用仿真模型执行多工况计算任务，省去通过试验装置进行分析的成本与时间。

4.在仿真系统中嵌入了优化算法，通过迭代计算与智能结果分析，实现对仿真模型的参数优化，并输出最优仿真模型，以指导棒束燃料组件试验装置的实际加工制造。

5.本方案的仿真方法具有多维度、多功能、智能化的特点，通过参数化为抓手，能够独立快速完成从模型修改、网格划分、仿真计算、数据收集、数据对比的全过程，无需人工干预。

附图说明

图1为本方案棒束燃料组件试验装置的结构示意图。

图2为整流器的截面视图。

图3为仿真方法的工作流程图。

图4为圆形棒束的截面视图。

图5为网格划分示意图。

图6为图5的A区域的局部放大图。

图7为图5的B区域的局部放大图。

图8为定点数据对比表图。

图9为横向拍摄截面的仿真流体运动矢量图。

图10为纵向拍摄截面的仿真流体运动矢量图。

图11为仿真模型纵向截面的仿真压力分布图。

图12为仿真模型纵向截面的仿真温度分布图。

其中，1、透明通道，2、进口通道，3、出口通道，4、圆形棒束，5、整流器，6、温度传感器，7、压力传感器，8、横向拍摄相机，9、纵向拍摄相机，10、计算机，11、矩形整流通道。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，本方案的棒束燃料组件试验装置包括竖直的透明通道1，透明通道1下端连通有进口通道2，透明通道1上端的侧壁上连通有出口通道3，透明通道1内间隙设置有若干均匀阵列布置的圆形棒束4，圆形棒束4的内部设置有产生预设功率的加热块，位于圆形棒束4下端的透明通道1内设置有使流体截面流速均匀的整流器5，整流器5包括若干竖直的矩形整流通道11，若干矩形整流通道11在水平方向上呈阵列式的紧密排布，矩形整流通道11的两端口设置有半圆弧面，用于减少流量的二次损失，进一步提升介质流动过程的均匀化分布。

进口通道2、出口通道3上均设置有温度传感器6，进口通道2、出口通道3以及位于圆形棒束4上端、中部和下端的透明通道1上均设置有压力传感器7，通过压力传感器7与温度传感器6获取指定位置实时的压力数据与温度数据，可反推试验装置内部流场的流动与传热特性，透明通道1的顶部和一侧分别间隙设置有横向拍摄相机8和纵向拍摄相机9，从而获取关注位置的流体运动矢量图，横向拍摄相机8、纵向拍摄相机9、温度传感器6和压力传感器7均通过控制器与计算机10电连接。

如图3所示，提供一种基于棒束燃料组件试验装置的仿真方法，其包括以下步骤：

S1：将进口流体流量和单根圆形棒束4的功率设为参数变量，流体从试验装置的进口管道流入，随后流经整流器5，在最小二次流损失的前提下实现流体截面速度分布均匀化，随后流经由若干圆形棒束4阵列组成的棒束区，最后流体出口通道3流出，在这过程中，通过压力传感器7、温度传感器6、横向拍摄相机8和纵向拍摄相机9完成预设点位的压力数据、温度数据和流体运动矢量图的采集，并汇总形成试验数据库；

S2：在SCDM仿真软件中完成棒束燃料组件试验装置仿真模型的参数化建立，使仿真模型与棒束燃料组件试验装置的形状和待测数据均保持一致，并将仿真模型中圆形棒束4的直径D和相邻圆形棒束4的中心间距L设为参数变量，如图4所示；

S3：在ICEM处理软件中完成网格划分的参数化建立，并将仿真模型的整体网格尺寸和圆形棒束4的边界层尺寸设为参数变量；如图5至图7所示，采用混合网格对装置内部流动区域进行填充，对于圆形棒束4、整流器5及试验装置进出口管道来说，其几何形状较为规整，采用全六面体网格进行对应区域填充，其他区域则使用四面体网格进行填充。为了进一步降低网格数量，提升网格收敛速度，可将四面体网格转化为多面体网格；

S4：将仿真模型中的进口流体流量和单根圆形棒束4的功率设为参数变量，在Fluent流体软件中完成仿真模型的仿真计算，可获取试验装置对应位置的仿真压力数据、仿真温度数据和仿真流体运动矢量图，同时仿真模型具备数据获取不受空间限制的特点，因此还能得到试验装置无法获取的仿真压力分布图和仿真温度分布图，并汇总形成仿真数据库；

S5：对比仿真数据库中与试验数据库中对应的定点数据，若所有预设点位的定点数据的误差不大于预设误差，则执行步骤S6，否则执行步骤S7；

S6：判定仿真模型满足当前棒束燃料组件试验装置的使用要求，通过仿真模型对棒束燃料组件试验装置无法测量的位置进行数据测量，完善棒束燃料组件试验装置的试验数据，节省试验的成本与时间；

S7：通过判定准则对仿真模型中的尺寸进行调整，并返回步骤S4。

其中，步骤S7中判定准则对仿真模型的尺寸进行调整的方法包括：

将大于预设误差的定点数据所对应流体域的整体网格尺寸和圆形棒束4的边界层尺寸进行缩小，并通过流体软件重新进行迭代计算，将仿真数据库与试验数据库中对应的定点数据进行再次对比，若所有预设点位的定点数据的误差不大于预设误差，则完成整体网格尺寸和圆形棒束4的边界层尺寸的调整，否则继续对整体网格尺寸和圆形棒束4的边界层尺寸进行缩小，直至迭代计算后的所有预设点位的定点数据的误差不大于预设误差。

具体实施时，设定仿真模型中测量点用字母P表示，测量面用字母F表示，其中P₁为进口通道2的压力测量点；P₂为进口通道2的温度测量点；P₃为圆形棒束4下端的压力测量点；P₄为圆形棒束4中部的压力测量点；P₅为圆形棒束4上端的压力测量点；P₆为出口通道3的温度测量点；P₇为出口通道3的压力测量点；F₁为横向拍摄相机8的横向拍摄截面；F₂为纵向拍摄相机9的纵向拍摄截面。

如图8所示，对整体网格尺寸和圆形棒束4的边界层尺寸进行调整的方法具体包括:

找出误差大于20%的点编号，将点编号所对应流体域的整体网格尺寸缩小为初始值的50%，通过流体软件进行迭代计算，并进行再次对比；若仍有误差大于20%的点编号，将点编号所对应流体域的整体网格尺寸缩小为初始值的20%，并进行迭代计算和对比；若仍有误差大于20%的点编号，将点编号所对应流体域的整体网格尺寸缩小为初始值的20%，同时将圆形棒束4的边界层尺寸缩小为初始值的50%，并进行迭代计算和对比；若仍有误差大于20%的点编号，将点编号所对应流体域的整体网格尺寸缩小为初始值的20%，同时将圆形棒束4的边界层尺寸缩小为初始值的20%，并进行迭代计算和对比；若仍有误差大于20%的点编号，将点编号所对应流体域的整体网格尺寸缩小为初始值的10%，同时将圆形棒束4的边界层尺寸缩小为初始值的20%，并进行迭代计算和对比；若仍有误差大于20%的点编号，将点编号所对应流体域的整体网格尺寸缩小为初始值的10%，同时将圆形棒束4的边界层尺寸缩小为初始值的10%，并进行迭代计算和对比，以此类推，直至迭代计算后的所有点编号数据的误差不大于20%的预设误差。

本方案还提供对棒束燃料组件试验装置参数的优化方法，其包括使用优化算法，得到仿真模型的优化参数，具体包括：

H1：设定仿真模型的进出口压差阈值和传热效率阈值以及圆形棒束4的直径和相邻圆形棒束4的中心间距的取值范围；

H2：采用FSO算法和SQP算法在圆形棒束4的直径和相邻圆形棒束4的中心间距的取值范围内随机取值，并结合仿真模型的采集数据计算对应的进出口压差值和传热效率值，汇总构成第一数据集；

H3：在第一数据集中提取同时满足进出口压差值小于进出口压差阈值和传热效率值大于传热效率阈值的数据，并构成第二数据集；

H4：获取第二数据集中圆形棒束4的直径和相邻圆形棒束4的中心间距的取值对进出口压差值和传热效率值的敏感区间，其中敏感区间即为圆形棒束4的直径和相邻圆形棒束4的中心间距的取值作为横坐标，进出口压差值和传热效率值作为纵坐标，建立的坐标系，构建关系曲线，其中曲线斜率大于设置值对应的区间范围即为敏感区间；

H5：在圆形棒束4的直径和相邻圆形棒束4的中心间距敏感区间的取值范围内进行加密取值，并通过FSO算法和SQP算法继续迭代计算，直至得到进出口压差值最低、传热效率值最高所对应的圆形棒束4的直径和相邻圆形棒束4的中心间距的取值，得到仿真模型的优化参数，即为棒束燃料组件试验装置的优化参数。

特别地，在试验装置正式试验前，需使用特制标准件（单根管束模型）对试验装置及测量元件进行标定，确保试验装置无误，再开展后续的工作，使后续误差的产生主要来源于仿真模型中的网格参数设置与计算参数设置。

本方案仿真过程在具体实施时，仿真模型数据流的流程为：SCDM完成参数化建模后，将参数化信息传递给Workbench平台，模型几何文件发送给ICEM；ICEM将网格尺寸参数化信息传递给Workbench平台，并将网格文件发送给Fluent，Fluent中的输入参数与输出参数传给Workbench平台，计算结果输出给新生成的excel文件，Workbench平台通过修改Journal文件中参数化变量值实现仿真流程的自动化迭代；试验装置数据流的流程为：压力传感器7与温度传感器6将数据通过NI系统进行收集汇总，并将数据存储与excel文件中，通过Python软件提取两个excel文件中的对应数值汇总于表格中，并将对应数据进行误差计算，满足误差，在表格中的最后一列输出“是”，不满足误差，在表格中的最后一列输出“否”，如图8所示。

如图9和图10所示，将横向拍摄截面和纵向拍摄截面的仿真流体运动矢量图收集汇总于仿真数据库中，与对应计算工况下试验数据库中横向拍摄相机8和纵向拍摄相机9的对应图形进行比较，当试验数据库和仿真数据库的对应数据误差小于预设误差时，可对仿真结果数据作进一步挖掘。

如图11和图12所示，对仿真结果深度挖掘后而得到的仿真模型纵向截面的仿真压力分布图和仿真温度分布图，而这些数据结果很难通过试验装置获取，因此通过仿真计算的方式，进一步提升了对装置在运行工况下不同位置特性参数的认知水平。

Claims (6)

1.一种棒束燃料组件试验装置，其特征在于，包括竖直的透明通道（1），所述透明通道（1）下端连通有进口通道（2），所述透明通道（1）上端的侧壁上连通有出口通道（3），所述透明通道（1）内间隙设置有若干均匀阵列布置的圆形棒束（4），所述圆形棒束（4）的内部设置有产生预设功率的加热块，位于圆形棒束（4）下端的所述透明通道（1）内设置有使流体截面流速均匀的整流器（5），所述进口通道（2）、出口通道（3）上均设置有温度传感器（6），所述进口通道（2）、出口通道（3）以及位于圆形棒束（4）上端、中部和下端的透明通道（1）上均设置有压力传感器（7），所述透明通道（1）的顶部和一侧分别间隙设置有横向拍摄相机（8）和纵向拍摄相机（9），所述横向拍摄相机（8）、纵向拍摄相机（9）、温度传感器（6）和压力传感器（7）均通过控制器与计算机（10）电连接。

2.根据权利要求1所述的棒束燃料组件试验装置，其特征在于，所述整流器（5）包括若干竖直的矩形整流通道（11），若干所述矩形整流通道（11）在水平方向上呈阵列式的紧密排布，所述矩形整流通道（11）的两端口设置有用于减少流量损失的半圆弧面。

3.基于仿真获取棒束燃料组件试验装置试验参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用权利要求1-2任一所述的棒束燃料组件试验装置在预设点位采集压力数据、温度数据和流体运动矢量图，并汇总形成试验数据库；

S2：构建与棒束燃料组件试验装置的形状和待测数据均一致的仿真模型；

S3：采集仿真模型的压力数据、压力分布图、温度数据、温度分布图和流体运动矢量图，汇总形成仿真数据库；

S4：对比仿真数据库中与试验数据库中对应的定点数据，若所有预设点位的定点数据的误差不大于预设误差，则进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S5：采用仿真模型获取棒束燃料组件试验装置无法测量的位置的参量；

S6：对所述仿真模型的尺寸进行调整，之后返回步骤S3。

4.根据权利要求3所述的基于仿真获取棒束燃料组件试验装置试验参数的方法，其特征在于，所述仿真模型的构建方法包括以下步骤：

A1：采用仿真软件构建棒束燃料组件试验装置的仿真模型，并将仿真模型中圆形棒束（4）的直径和相邻圆形棒束（4）的中心间距设为参数变量；

A2：对仿真模型进行网格划分，并将整体网格尺寸和圆形棒束（4）的边界层尺寸设为参数变量；

A3：将仿真模型中的进口流体流量和单根圆形棒束（4）的功率设为参数变量，并对仿真模型进行流体仿真计算以及数据采集。

5.根据权利要求4所述的基于仿真获取棒束燃料组件试验装置试验参数的方法，其特征在于，对所述仿真模型的尺寸进行调整的方法包括：

对大于预设误差的定点数据所对应流体域的整体网格尺寸和圆形棒束（4）的边界层尺寸按预设比例进行缩小，并重新进行迭代计算，将仿真数据库与试验数据库中对应的定点数据进行再次对比，直至迭代计算后的所有定点数据的误差不大于预设误差。

6.根据权利要求4所述的基于仿真获取棒束燃料组件试验装置试验参数的方法，其特征在于，还包括对棒束燃料组件试验装置参数的优化方法：

H1：设定仿真模型的进出口压差阈值和传热效率阈值以及圆形棒束（4）的直径和相邻圆形棒束（4）的中心间距的取值范围；

H2：采用FSO算法和SQP算法在圆形棒束（4）的直径和相邻圆形棒束（4）的中心间距的取值范围内随机取值，并结合仿真模型的采集数据计算对应的进出口压差值和传热效率值，汇总构成第一数据集；

H3：在第一数据集中提取同时满足进出口压差值小于进出口压差阈值和传热效率值大于传热效率阈值的数据，并构成第二数据集；

H4：获取第二数据集中圆形棒束（4）的直径和相邻圆形棒束（4）的中心间距的取值对进出口压差值和传热效率值的敏感区间；

H5：在圆形棒束（4）的直径和相邻圆形棒束（4）的中心间距敏感区间的取值范围内进行加密取值，并通过FSO算法和SQP算法继续迭代计算，直至得到进出口压差值最低、传热效率值最高所对应的圆形棒束（4）的直径和相邻圆形棒束（4）的中心间距的取值，得到仿真模型的优化参数，即为棒束燃料组件试验装置的优化参数。