本發(fā)明屬于多相流流動(dòng)參數(shù)測(cè)量及核反應(yīng)堆熱工水力領(lǐng)域，尤其涉及一種通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在事故工況下，沸水堆或壓水堆棒束通道內(nèi)所形成的氣液流動(dòng)具有多維瞬態(tài)流動(dòng)特征。螺旋十字燃料作為一種新型的反應(yīng)堆燃料組件，其具有導(dǎo)熱距離短、交混能力強(qiáng)、無需定位擱架等諸多優(yōu)勢(shì)，可以在保證反應(yīng)堆安全裕度的同時(shí)有效提升堆芯的功率，相較簡單管道，螺旋十字棒束通道內(nèi)氣泡的聚并、破碎和遷移等動(dòng)力學(xué)行為更為復(fù)雜。從反應(yīng)堆熱工水力學(xué)的角度來看，全面了解棒束通道內(nèi)各相的時(shí)空分布直接關(guān)系到棒束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱性能，關(guān)系到反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。此外，多維氣液流動(dòng)分析代碼(如子通道分析)的驗(yàn)證、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(cfd)計(jì)算模型的建立，以及桿束氣液流動(dòng)理論的建立，都必須依賴于棒束通道內(nèi)氣-液兩相流的數(shù)據(jù)庫。

2、針對(duì)壓水堆螺旋十字燃料棒束區(qū)域所形成的氣-液兩相流的動(dòng)力學(xué)行為，人們主要采用高速攝像機(jī)、輻射技術(shù)等方法來研究通道中的氣液流動(dòng)。然而，高速攝像機(jī)雖然可以識(shí)別棒束通道內(nèi)的流態(tài)，但無法準(zhǔn)確獲取兩相流的空泡份額及相界面濃度；由于壁面的影響和時(shí)間分辨率的局限性，輻射技術(shù)無法精確捕捉氣液動(dòng)態(tài)流動(dòng)中空隙率的快速波動(dòng)，此外，這種測(cè)量技術(shù)的設(shè)計(jì)和建造非常復(fù)雜和昂貴。由于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的局限性導(dǎo)致精細(xì)化的螺旋十字燃料棒束通道內(nèi)氣-液兩相流基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匱乏，事故過程當(dāng)中產(chǎn)生的相含率演化行為不清晰，使得相關(guān)試驗(yàn)機(jī)理和物理模型相對(duì)匱乏。

3、因此，目前需要發(fā)展能夠應(yīng)用于螺旋十字燃料棒束通道內(nèi)且具有高時(shí)空分辨率的測(cè)量技術(shù)，來分析該結(jié)構(gòu)管道內(nèi)氣-液兩相流場(chǎng)及相界面濃度的協(xié)同測(cè)量，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，為機(jī)理研究的開展提供保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術(shù)目的是提供一種通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)及方法，以解決螺旋十字燃料棒束通道內(nèi)氣-液兩相流基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匱乏的問題。

2、為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，包括：

4、實(shí)驗(yàn)裝置和電路采集模塊；

5、實(shí)驗(yàn)裝置包括棒束實(shí)驗(yàn)段、氣水混合器和若干絲網(wǎng)探針傳感器；棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)固定有螺旋十字燃料棒束；氣水混合器連接于棒束實(shí)驗(yàn)段的底部，被配置為分別接收氣體和水并進(jìn)行混合形成氣-液兩相流，而后通入棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)；若干絲網(wǎng)探針傳感器水平設(shè)置于棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，每一絲網(wǎng)探針傳感器包括兩層絲網(wǎng)探針，每層絲網(wǎng)探針均包括發(fā)射極、接收極以及測(cè)點(diǎn)；

6、電路采集模塊與絲網(wǎng)探針傳感器信號(hào)連接，絲網(wǎng)探針、棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的不同相流體介質(zhì)和電路采集模塊構(gòu)成回路，且不同相流體介質(zhì)之間互為并聯(lián)關(guān)系，電路采集模塊被配置為向絲網(wǎng)探針提供激勵(lì)電壓，經(jīng)回路后輸出不同的電信號(hào)值以對(duì)棒束實(shí)驗(yàn)段中的不同相態(tài)進(jìn)行識(shí)別。

7、其中，棒束實(shí)驗(yàn)段中的螺旋十字燃料棒束為等直徑和節(jié)距設(shè)置，棒束實(shí)驗(yàn)段的截面為66.1mm×66.1mm的正方形結(jié)構(gòu)，棒束實(shí)驗(yàn)段的水力直徑為10.28mm，螺旋十字燃料棒束的直徑為9.5mm，相鄰螺旋十字燃料棒束的間距為12.6mm，相鄰螺旋十字燃料棒束直接所圍成的流場(chǎng)區(qū)域的水力直徑為8.321mm。

8、具體地，每層絲網(wǎng)探針包括呈網(wǎng)狀的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)共有32*32個(gè)交叉點(diǎn)，共有1024個(gè)測(cè)試點(diǎn)，絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)相連端部上的節(jié)點(diǎn)分別為發(fā)射端和接收端，測(cè)試點(diǎn)、發(fā)射端和接收端上均設(shè)有直徑為0.1mm的不銹鋼作為電極絲，焊接在厚度為2mm的pcb電路板上，相鄰電極絲之間的間距為2mm,相鄰絲網(wǎng)探針的軸向距離為2mm。

9、進(jìn)一步優(yōu)選地，在發(fā)射端和接收端之間嵌入32個(gè)尺寸相同的絕緣連接插頭，利用絕緣膠覆蓋與絕緣連接插頭截面接觸的電極絲。

10、其中，氣水混合器的高度為1500mm，氣水混合器與棒束實(shí)驗(yàn)段連接處設(shè)有內(nèi)徑約1.2mm，長度為1000mm的混合通道。

11、一種通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量方法，配置于上述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，包括如下步驟：

12、通過液相入口向氣水混合器供水，同時(shí)通過氣相入口向氣水混合器注入氣體，氣液兩相在氣水混合器中進(jìn)行充分混合；

13、混合后的氣液兩相流進(jìn)入棒束實(shí)驗(yàn)段；

14、當(dāng)氣液兩相流經(jīng)過絲網(wǎng)探針傳感器時(shí)，由于氣液兩相電導(dǎo)率不同形成不同的電信號(hào)，所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)接收端進(jìn)入電路采集模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣-液兩相流場(chǎng)及相界面濃度的相關(guān)參數(shù)。

15、具體地，相界面的計(jì)算滿足以下公式：

16、

17、其中，ri,j,k為k時(shí)刻所采集的歸一化信號(hào)，為經(jīng)過絲網(wǎng)探針傳感器的局部流體電導(dǎo)率，為棒束實(shí)驗(yàn)段中為單相流體時(shí)的電導(dǎo)率，ai,j,k為k時(shí)刻的空泡份額。

18、具體地，局部空泡份額的計(jì)算滿足以下公式：

19、

20、其中,ai,j,in和ai,j,total分別為棒束實(shí)驗(yàn)段的流道面積和總截面面積，αarea為面積平均含氣率，為時(shí)均空泡份額。

21、具體地，所測(cè)兩層絲網(wǎng)探針內(nèi)氣相體積滿足以下函數(shù)關(guān)系式：

22、

23、所測(cè)兩層絲網(wǎng)探針內(nèi)的相界面濃度的計(jì)算滿足以下公式：

24、

25、其中，jg為表觀氣速，jf為表觀液速，aduct為流道的橫截面面積，tmeas為測(cè)量的時(shí)間。

26、本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使其與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

27、本發(fā)明可測(cè)量實(shí)驗(yàn)段橫截面積的相含率變化，將采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)率信號(hào)，通過處理系統(tǒng)計(jì)算棒束區(qū)域內(nèi)相界面濃度，絲網(wǎng)探針布置在除棒束外整個(gè)流道截面，而電路采集模塊與絲網(wǎng)探針相連提供激勵(lì)電壓，不同流體介質(zhì)流經(jīng)絲網(wǎng)探針時(shí)，電路采集模塊輸出不同的電信號(hào)值以識(shí)別不同相態(tài)，并基于絲網(wǎng)探針間距可以計(jì)算氣液兩相流場(chǎng)的相含率。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能夠更有效地獲取包括相分布在內(nèi)的精細(xì)化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為相關(guān)理論研究奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述棒束實(shí)驗(yàn)段中的所述螺旋十字燃料棒束為等直徑和節(jié)距設(shè)置，所述棒束實(shí)驗(yàn)段的截面為66.1mm×66.1mm的正方形結(jié)構(gòu)，所述棒束實(shí)驗(yàn)段的水力直徑為10.28mm，所述螺旋十字燃料棒束的直徑為9.5mm，相鄰所述螺旋十字燃料棒束的間距為12.6mm，相鄰所述螺旋十字燃料棒束直接所圍成的流場(chǎng)區(qū)域的水力直徑為8.321mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，每層所述絲網(wǎng)探針包括呈網(wǎng)狀的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所述絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)共有32*32個(gè)交叉點(diǎn)，共有1024個(gè)測(cè)試點(diǎn)，所述絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)相連端部上的節(jié)點(diǎn)分別為發(fā)射端和接收端，所述測(cè)試點(diǎn)、所述發(fā)射端和所述接收端上均設(shè)有直徑為0.1mm的不銹鋼作為電極絲，焊接在厚度為2mm的pcb電路板上，相鄰所述電極絲之間的間距為2mm,相鄰所述絲網(wǎng)探針的軸向距離為2mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，在所述發(fā)射端和所述接收端之間嵌入32個(gè)尺寸相同的絕緣連接插頭，利用絕緣膠覆蓋與絕緣連接插頭截面接觸的所述電極絲。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述氣水混合器的高度為1500mm，所述氣水混合器與所述棒束實(shí)驗(yàn)段連接處設(shè)有內(nèi)徑約1.2mm，長度為1000mm的混合通道。

6.一種通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量方法，配置于如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量方法，其特征在于，相界面的計(jì)算滿足以下公式：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量方法，其特征在于，局部空泡份額的計(jì)算滿足以下公式：

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量方法，其特征在于，所測(cè)兩層所述絲網(wǎng)探針內(nèi)氣相體積滿足以下函數(shù)關(guān)系式：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種通道內(nèi)氣液兩相流相界面濃度的測(cè)量系統(tǒng)，棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)固定有螺旋十字燃料棒束；氣水混合器連接于棒束實(shí)驗(yàn)段的底部，接收氣體和水并進(jìn)行混合形成氣?液兩相流而后通入棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)。絲網(wǎng)探針傳感器水平設(shè)置于棒束實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，每一絲網(wǎng)探針傳感器包括兩層絲網(wǎng)探針，每層絲網(wǎng)探針均包括發(fā)射極、接收極以及測(cè)點(diǎn)。電路采集模塊與絲網(wǎng)探針傳感器信號(hào)連接，電路采集模塊用于為向絲網(wǎng)探針提供激勵(lì)電壓，經(jīng)回路后輸出不同的電信號(hào)值以對(duì)棒束實(shí)驗(yàn)段中的不同相態(tài)進(jìn)行識(shí)別。電路采集模塊輸出不同的電信號(hào)值以識(shí)別不同相態(tài)，并基于絲網(wǎng)探針間距可以計(jì)算氣液兩相流場(chǎng)的相含率，能夠更有效地獲取包括相分布在內(nèi)的精細(xì)化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉莉,羅皓天,包睿祺,袁俊杰,顧漢洋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6