CN115910401A - 模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于模拟棒束通道内带有搅混翼片的定位格架对下游两相流场搅混作用的可视化系统。该装置基于周期性磁场变化，诱导涡旋部件发生转动。在装置结构设计以及流体惯性力作用下，涡旋部件会停留在定位格架下游流场相应位置做自转运动，产生涡旋，对流场内的气相、液相产生搅混，造成特定的相态分布特性。通过对比带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架下游两相流场的相态分布特性，可以利用涡旋部件的旋转速度、停留位置等参数定量计算涡旋的搅混作用，从而模化带有搅混翼的定位格架的搅混作用，为定位格架的优化设计提供数据基础，有利于提升燃料组件经济性与安全性。

Description

模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及反应堆热工水力技术领域，具体公开一种用于模拟燃料组件棒束通道内定位格架对下游两相流场搅混作用的可视化装置，基于该可视化装置设计的试验系统，以及采用该装置和系统的可视化模拟方法。

背景技术

压水堆堆芯燃料组件流动与传热特性是反应堆热工水力专业的研究重点。在反应堆稳态运行工况，燃料组件长期处于单相流场，但在事故工况以及部分功率较高的情形下，燃料组件内会出现两相工况，两相流场内的相态分布特性影响着燃料组件临界热流密度，即燃料组件的热工安全限值。

棒束通道作为燃料组件的简化几何模型，对于燃料组件流动与传热特性研究有着重要意义。定位格架作为燃料组件内夹持燃料棒的重要部件，其上的刚凸、弹簧以及搅混翼会对下游两相流场产生重要影响，即不同的搅混翼结构会导致下游两相流场产生相应的两相相态分布特征。由此可见，通过对照试验，模拟定位格架对下游流场的涡旋作用，有助于定量模化定位格架搅混作用，为定位格架的优化设计提供数据基础，为燃料组件经济性与安全性的提升提供支持。

发明内容

本发明目的在于提供一种模拟棒束通道内定位格架对下游两相流场搅混作用的可视化装置、系统及方法，可以基于对照试验，通过涡旋部件在变化磁场内的自转运动产生涡旋，模拟棒束通道内定位格架搅浑翼片对下游两相流场的搅混作用。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其包括两个相同的对照可视化试验容器，可视化试验容器下部设两相流入口，上部设两相流出口，可视化试验容器内竖直放置2×2棒束元件及定位格架，定位格架中心位于两相流入口与两相流出口之间的流场中，容器一中棒束元件用带有刚凸、弹簧的定位格架固定，可视化试验容器二中棒束元件用带有搅混翼、刚凸、弹簧的定位格架固定，可视化试验容器一棒束通道内设有带搅混翼的涡旋部件，涡旋部件通过柔性绳索连接在定位格架中心处，涡旋部件内水平设置有N-S极条形磁铁，可视化试验容器一两相流出口处设置有环形变磁性装置，环形变磁性装置带动涡旋部件自转，产生模拟可视化试验容器二中搅混翼的搅混作用的涡旋。

当可视化装置开始注入两相流体时，流体的惯性力会克服重力影响使涡旋部件尽可能靠近装置出口，但束缚绳索的拉扯会使涡旋部件不脱离，因此在稳态的两相流场中，涡旋部件会维持在在定位格架下游场z方向的特定处。在出口处环形变磁极装置的磁性作用下，涡旋部件会随着磁场方向的改变，随环形变磁极装置的磁场变化而作自转运动，在定位格架下游流场特定处产生涡旋作用。通过与仅安装带有搅混翼的定位格下游两相流场的可视化图像对比，在两者定位格架下游流场两相相态分布特性极为相似的情形下，可以使用涡旋部件特定位置、自转速度、部件形状计算还原处该处流场的涡旋强度，此数值即为对照装置中该种定位格架的搅混作用。

测量的原理基于：(1)基于电力驱动，使环形变磁性装置高频率、周期性地改变磁场方向，从而引导带有磁性的涡旋部件发生转动；(2)使用固定长度的柔性绳索，绳索一端与定位格架相连，以限制涡旋部件离开；(3)通过张紧的柔性绳索的定位作用和两相流体的惯性作用，使得涡旋部件停留在相应位置，在磁场的作用下自旋运动，产生相应的涡旋，模拟定位格架搅混翼的搅混作用，从而为定量化标定定位格架搅混强度，为定位格架优化设计提供基础。

作为可视化装置的优选方案，涡旋部件设竖直通孔，柔性绳索穿过该通孔且与通孔间隙配合。

作为可视化装置的优选方案，柔性绳索末端设有定位圆球，另一端使用光滑小球，降低对涡旋部件的自转影响。

作为可视化装置的优选方案，涡旋部件上设有球槽，所述竖直通孔顶部穿过该球槽，定位圆球位于该球槽中。

作为可视化装置的优选方案，涡旋部件的条形磁铁外部包裹绝缘材料。

作为可视化装置的优选方案，柔性绳索采用不伸缩材料，且可更换不同长度的绳索。

作为可视化装置的优选方案，环形变磁性装置包括转盘，转盘相对两侧分别设N级和S极磁铁，转盘设电机驱动转动。

作为可视化装置的优选方案，环形变磁性装置的转盘与两相流出口同心布置。

另一方面，本发明提供一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化系统，其采用上述的可视化装置，在可视化装置上连接水回路与气回路；水回路依次设置开式水箱、主泵及阀门，接入可视化装置两相流入口；气回路依次设空压机、储气罐及阀门，接入可视化装置两相流入口；可视化装置两相流出口回流至开式水箱。

作为可视化系统的优选方案，水回路还设有液体流量计和压力变送器。

作为可视化系统的优选方案，气回路还设有气体流量计和减压阀。

再一方面，本发明提供一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化方法，其采用上述的可视化系统，实施以下步骤：

首先，将需要模化搅混强度的带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架分别安装到两个对照可视化装置内；

第二，在开式水箱中灌入去离子水，打开水回路阀门，排出水回路与可视化装置内的空气，测试涡旋部件浮动到顶端所需的最小流量；

第三，打开空压机，调节气回路与水回路流量，监测可视化装置压力，以调节至预期工况；

第四，待水回路、气回路与可视化装置内两相流稳定后，以及涡旋部件所在位置稳定后，打开环形变磁性装置开关，使涡旋部件所在位置的磁场发生周期性变化，观察涡旋部件的自转运动；

第五，用高速摄像仪同时观察两对照可视化装置内棒束通道定位格架下游流场的两相相态分布特性，通过调节环形变磁性装置的转动频率，改变涡旋部件的自转速度，以致两者相态分布特征相似；

第六，调整柔性绳索的长度，改变涡流源项位置，模拟带有搅混翼的定位格架的搅混作用；

第七，当带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架下游流场相态分布特征相似时，记录下此时涡旋部件的转动频率、所在位置，以及下游流场气泡运动规律，用以定量研究相应带有搅混翼的定位格架的搅混作用。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提出了一种用于模拟棒束通道内带有搅混翼片的定位格架对下游两相流场搅混作用的可视化系统。该装置基于周期性磁场变化，诱导涡旋部件发生转动。在装置结构设计以及流体惯性力作用下，涡旋部件会停留在定位格架下游流场相应位置做自转运动，产生涡旋，对流场内的气相、液相产生搅混，造成特定的相态分布特性。通过对比带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架下游两相流场的相态分布特性，可以利用涡旋部件的旋转速度、停留位置等参数定量计算涡旋的搅混作用，从而模化带有搅混翼的定位格架的搅混作用，为定位格架的优化设计提供数据基础，有利于提升燃料组件经济性与安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为棒束元件可视化装置配套系统回路示意图。

图2为棒束元件可视化装置结构图。

图3为棒束元件定位格架示意图，其中a)带有涡旋部件的定位格架，b)带有搅混翼的定位格架。

图4为涡旋部件结构原理图。

图5为环形变磁性装置结构原理图。

附图标记与对应的零部件名称：1-可视化装置，101-两相流入口，102-无搅混翼定位格架，103-2×2棒束元件，104-柔性绳索，105-涡旋部件，106-环形变磁性装置，107-两相流出口，108-搅混翼，109-带搅混翼定位格架，110-可视化试验容器；

2-开式水箱；3-主泵；4-截止阀一；5-调节阀一；6-空压机；7-储气罐；8-截止阀二；9-调节阀二；

1051-定位圆球，1052-球槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作的原理和特征等做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明保护范围的限定。

本说明书中使用的术语是考虑到关于本公开的功能而在本领域中当前广泛使用的那些通用术语，但是这些术语可以根据本领域普通技术人员的意图、先例或本领域新技术而变化。此外，特定术语可以由申请人选择，并且在这种情况下，其详细含义将在本公开的详细描述中描述。因此，说明书中使用的术语不应理解为简单的名称，而是基于术语的含义和本公开的总体描述。

本说明书中使用了流程图或文字来说明根据本申请的实施例所执行的操作步骤。应当理解的是，本申请实施例中的操作步骤不一定按照记载顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

实施例1

本发明实施例提供一种用于模拟棒束通道内定位格架对下游两相流场搅混作用的可视化装置，可以通过对照试验，基于下游流场的两相相态分布特征，定量化地推导带有搅混翼片的定位格架的搅混作用。

对照的可视化棒束通道如图2-3所示，图2给出了棒束通道可视化装置1的示意图，图3为俯视图。其包括两个相同的对照可视化试验容器110，可视化试验容器110下部设两相流入口101，上部设两相流出口107，可视化试验容器110内竖直放置2×2棒束元件103及定位格架，定位格架中心位于两相流入口101与两相流出口107之间的流场中，可视化试验容器一中棒束元件用带有刚凸、弹簧的定位格架102固定，可视化试验容器二中棒束元件用带有搅混翼108、刚凸、弹簧的定位格架109固定，可视化试验容器一棒束通道内设有带搅混翼的涡旋部件105，涡旋部件105通过柔性绳索104连接在定位格架102中心处，涡旋部件105内水平设置有N-S极条形磁铁，可视化试验容器一两相流出口107处设置有环形变磁性装置106，环形变磁性装置106带动涡旋部件105自转，产生模拟可视化试验容器二中搅混翼108的搅混作用的涡旋。

2×2棒束元件103分别放置于两个相同的可视化装置1内，左侧棒束元件用带有刚凸、弹簧的定位格架102固定，右侧棒束元件采用带有搅混翼108、刚凸、弹簧的完整定位格架109固定。左侧的棒束通道内，涡旋部件105与柔性绳索104相连，另一端固定在定位格架102中心处。在无流体通过情形下，涡旋部件105受重力作用悬挂于定位格架102下方。当质量流速较大的两相流体从两相流入口101流向两相流出口107时，流体的惯性作用会导致涡旋部件105位于定位格架102上方(即下游流场)。当两相流入口101液相、气相质量流量一定时，此时可视化装置1内两相流体流动处于稳定状态，涡旋部件105受到柔性绳索104的作用会停留在流场某处，与定位格架102维持一定距离。柔性绳索104需选取柔性、弹性模量较低的材料，以便于通过选取不同长度的绳索，获取产生于不同位置处的涡旋作用。

在一种可选的实施例中，涡旋部件105介绍如图4所示，所述涡旋部件105设竖直通孔，柔性绳索104穿过该通孔且与通孔间隙配合。柔性绳索104末端设有定位圆球1051。涡旋部件105上设有球槽1052，所述竖直通孔顶部穿过该球槽1052，定位圆球1051位于该球槽1052中。涡旋部件105的条形磁铁外部包裹绝缘材料。柔性绳索104采用不伸缩或刚性的材料，且可更换不同长度的绳索。具体地，涡旋部件105为一个顶端带有光滑圆形球槽1052的绝缘材料包裹的磁性磁铁。涡旋部件105上有搅混翼片，用以更好地模拟搅混翼片的搅混作用。柔性绳索104末端有光滑的定位圆球1051，防止涡旋部件105被流体冲走。涡旋部件105上的球槽1052用于降低涡旋部件105自转时产生的摩擦。配合环形变磁性装置106周期性的磁场方向变化，涡旋部件105内的N-S极磁铁也会随之转动。由于受到流体惯性力和柔性绳索104的拉紧力作用，涡旋部件105会于稳态流场内的某处停留，做自转运动。涡旋部件105的自转基于磁场作用原理，通过使用涡旋部件105，基于装置设计与流体惯性力，涡旋部件105自转产生的涡旋会对下游流场产生搅混作用，其结果与定位格架搅混翼作用相似。

在一种可选的实施例中，环形变磁性装置106原理如图5所示，所述环形变磁性装置106包括转盘，转盘相对两侧分别设N级和S极磁铁，转盘设电机驱动转动。环形变磁性装置106的转盘与两相流出口107同心布置。具体地，环形变磁性装置106将强磁性的N级、S极磁铁分别固定于转盘的两侧，转盘在电机驱动下会按照固定频率进行转动，导致棒束通道内下游流场磁场方向发生变化，利用同性相斥，异性相吸的原理带动涡旋部件105发生自转。环形变磁性装置106中心为可视化装置1两相流出口107通道，该环形变磁性装置106安装在可视化试验容器110的顶端(出口侧)影响棒束通道内的磁场方向。

利用本发明实施例提出的可视化装置1，可以通过对照带有搅混翼的定位格架下游两相流场与带有涡旋部件的定位格架下游两相流场的相态分布特征，基于对照结果，利用环形变磁性装置106驱动涡旋部件105做自转运动，在定位格架下游流场产生相应涡流，模拟定位格架搅混翼片对两相流体的搅混作用。在高度相似结果的对照下，可以用涡旋部件105的位置、旋转速度等参量计算涡旋强度，从而模化搅混翼108的搅混强度，为定位格架搅混翼片的优化设计提供指导。

实施例2

本发明实施例提供一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化系统，回路布置如图1所示，回路分为水回路与气回路，其采用上述实施例1的可视化装置1，在可视化装置1上连接水回路与气回路；水回路依次设置开式水箱2、主泵3及截止阀一4和调节阀一5，接入可视化装置1两相流入口101；气回路依次设空压机6、储气罐7及截止阀二8和调节阀二9，接入可视化装置1两相流入口101；可视化装置1两相流出口107回流至开式水箱2。

在一种可选的实施例中，所述水回路重要部件还含有液体流量计和压力变送器。气回路还设有气体流量计和减压阀。

实施例3

本发明实施例提供一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化方法，其采用上述实施例2的可视化系统，实施以下步骤：

首先，将需要模化搅混强度的带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架分别安装到两个对照可视化装置内；

第二，在开式水箱中灌入去离子水，打开水回路阀门，排出水回路与可视化装置内的空气，测试涡旋部件浮动到顶端所需的最小流量；

第三，打开空压机，调节气回路与水回路流量，监测可视化装置压力，以调节至预期工况；

第四，待水回路、气回路与可视化装置内两相流稳定后，以及涡旋部件所在位置稳定后，打开环形变磁性装置开关，使涡旋部件所在位置的磁场发生周期性变化，观察涡旋部件的自转运动；

第五，用高速摄像仪同时观察两对照可视化装置内棒束通道定位格架下游流场的两相相态分布特性，通过调节环形变磁性装置的转动频率，改变涡旋部件的自转速度，以致两者相态分布特征相似；

第六，如调节涡旋部件自转速度效果不佳，也可以调整柔性绳索的长度，改变涡流源项位置，模拟带有搅混翼的定位格架的搅混作用；

第七，当带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架下游流场相态分布特征高度相似时，记录下此时涡旋部件的转动频率、所在位置，以及下游流场气泡运动规律，用以定量研究相应带有搅混翼的定位格架的搅混作用。

通过上述技术方案的实施，本发明实施例所提出的可视化系统完成了对带有搅混翼片的定位格架搅混作用的模拟和定量研究，得到的定量数据结合搅混翼片的几何信息可以为定位格架的优化设计提供指导，为反应堆燃料元件的经济性与安全性提升提供数据支持。

综上所述，本发明涉及一种用于棒束通道内还原定位格架搅混翼片对下游两相流场搅混作用的可视化装置。回路中的空气-水或蒸汽-水两相流经过夹持棒束组件的定位格架后，会受到定位格架其上搅混翼片的导向作用，从而在下游流场形成特定的涡旋作用。涡旋作用使得下游气相与液相，基于密度差异，出现特定相态分布特性。本装置通过利用带有磁性的涡旋部件，利用可视化装置外部的变磁场设备，引导涡旋部件开始旋转。由于受到束缚绳索的作用，在流体的冲击下，涡旋部件会停留在固定的、尽可能靠近装置出口的位置，开始自转运动。涡旋部件的自转运动，会引发响应的涡流，从而导致气液两相出现相应的相态分布，由此还原出定位格架搅混翼片对下游流场的搅混作用。通过利用高速摄像仪实时测量棒束通道内的两相流，可以基于涡旋部件自转的位置、转动速度计算涡旋的强度，从而表征产生相同相态分布特性的定位格架搅混翼的搅混作用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：包括两个相同的对照可视化试验容器，可视化试验容器下部设两相流入口，上部设两相流出口，可视化试验容器内竖直放置2×2棒束元件及定位格架，定位格架中心位于两相流入口与两相流出口之间的流场中，可视化试验容器一中棒束元件用带有刚凸、弹簧的定位格架固定，可视化试验容器二中棒束元件用带有搅混翼、刚凸、弹簧的定位格架固定，容器一棒束通道内设有带搅混翼的涡旋部件，涡旋部件通过柔性绳索连接在定位格架中心处，涡旋部件内水平设置有N-S极条形磁铁，可视化试验容器一两相流出口处设置有环形变磁性装置，环形变磁性装置带动涡旋部件自转，产生模拟可视化试验容器二中搅混翼的搅混作用的涡旋。

2.根据权利要求1所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：涡旋部件设竖直通孔，柔性绳索穿过该通孔且与通孔间隙配合。

3.根据权利要求2所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：柔性绳索末端设有定位圆球。

4.根据权利要求3所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：涡旋部件上设有球槽，所述竖直通孔顶部穿过该球槽，定位圆球位于该球槽中。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：涡旋部件的条形磁铁外部包裹绝缘材料。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：柔性绳索采用不伸缩材料，且可更换不同长度的绳索。

7.根据权利要求1所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：环形变磁性装置包括转盘，转盘相对两侧分别设N级和S极磁铁，转盘设电机驱动转动。

8.根据权利要求7所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化装置，其特征在于：环形变磁性装置的转盘与两相流出口同心布置。

9.一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化系统，其特征在于：采用如权利要求1-8任意一项所述的可视化装置，在可视化装置上连接水回路与气回路；水回路依次设置开式水箱、主泵及阀门，接入可视化装置两相流入口；气回路依次设空压机、储气罐及阀门，接入可视化装置两相流入口；可视化装置两相流出口回流至开式水箱。

10.根据权利要求9所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化系统，其特征在于：水回路还设有液体流量计和压力变送器。

11.根据权利要求9所述的模拟下游两相流场搅混作用的可视化系统，其特征在于：气回路还设有气体流量计和减压阀。

12.一种模拟下游两相流场搅混作用的可视化方法，其特征在于，采用如权利要求9-11任意一项所述的可视化系统，实施以下步骤：

首先，将需要模化搅混强度的带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架分别安装到两个对照可视化装置内；

第二，在开式水箱中灌入去离子水，打开水回路阀门，排出水回路与可视化装置内的空气，测试涡旋部件浮动到顶端所需的最小流量；

第三，打开空压机，调节气回路与水回路流量，监测可视化装置压力，以调节至预期工况；

第四，待水回路、气回路与可视化装置内两相流稳定后，以及涡旋部件所在位置稳定后，打开环形变磁性装置开关，使涡旋部件所在位置的磁场发生周期性变化，观察涡旋部件的自转运动；

第五，用高速摄像仪同时观察两对照可视化装置内棒束通道定位格架下游流场的两相相态分布特性，通过调节环形变磁性装置的转动频率，改变涡旋部件的自转速度，以致两者相态分布特征相似；

第六，调整柔性绳索的长度，改变涡流源项位置，模拟带有搅混翼的定位格架的搅混作用；

第七，当带有搅混翼的定位格架与带有涡旋部件的定位格架下游流场相态分布特征相似时，记录下此时涡旋部件的转动频率、所在位置，以及下游流场气泡运动规律，用以定量研究相应带有搅混翼的定位格架的搅混作用。

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