本發(fā)明涉及實驗裝置，具體涉及一種基于增材制造的螺旋棒束多通道實驗裝置及實驗方法。

背景技術(shù)：

1、螺旋型核燃料已應(yīng)用于壓水堆和空間核動力，其具有強(qiáng)化傳熱、提高反應(yīng)堆功率密度和取消定位格架的優(yōu)勢。鉛鉍堆作為一種第四代反應(yīng)堆，其具有低壓、高溫和固有安全的優(yōu)勢，將螺旋型燃料應(yīng)用于鉛鉍堆可以進(jìn)一步提高其先進(jìn)性。螺旋型棒束橫流交混強(qiáng)度遠(yuǎn)大于圓柱型棒束，為計算其橫流混系數(shù)，已有研究采用水作為介質(zhì)，將高溫水注入低溫水中，通過測量出口不同子通道溫度計算螺旋型棒束橫流交混系數(shù)。然而，以鉛鉍合金為工質(zhì)的螺旋型棒束橫流交混實驗未見報道。此外，采用低溫鉛鉍合金和高溫鉛鉍合金混合的方法并不能真實模擬反應(yīng)堆加熱邊界條件，所獲得的橫流交混系數(shù)存在一定局限性。因此，針對螺旋型棒束橫流交混特性實驗，需提出一種適用于鉛鉍合金的設(shè)計方案并可較為真實地模擬加熱條件。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供基于增材制造的螺旋棒束多通道實驗裝置及實驗方法，采用2×2螺旋棒束多通道實驗裝置開展實驗；其中一根加熱棒采用增材制造技術(shù)加工測量壁面溫度的熱電偶的夾持裝置，通過螺旋棒與圓柱型加熱棒組裝實現(xiàn)螺旋棒的加熱，模擬實際螺旋型核燃料加熱條件；其余三根螺旋棒均為非加熱棒；根據(jù)不同子通道溫度及子通道分析程序間接計算橫流攪混系數(shù)，可為螺旋型核燃料設(shè)計和子通道分析提供數(shù)據(jù)支撐。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、基于增材制造的螺旋棒束多通道實驗裝置，包括棒束組件1、上腔室2、上腔室測溫組件3、上法蘭4、出口子通道溫度測量組件5、低壓端引壓組件6、高壓端引壓組件7、中部筒體8、入口子通道溫度測量組件9、下法蘭10、下腔室11、下腔室測溫組件12和壓差變送器13；中部筒體8位于實驗裝置中部，上腔室2位于中部筒體8上部，下腔室11位于中部筒體8下部，上腔室2和中部筒體8通過上法蘭4連接，下腔室11和中部筒體8通過下法蘭10連接；低壓端引壓組件6和高壓端引壓組件7位于中部筒體8側(cè)面，并與中部筒體8垂直焊接連接；低壓端引壓組件6位于高壓端引壓組件7上部；壓差變送器13采用法蘭分別連接低壓端引壓組件6和高壓端引壓組件7；出口子通道溫度測量組件5位于入口子通道溫度測量組件9的上部，出口子通道溫度測量組件5和入口子通道溫度測量組件9分別靠近實驗裝置出口和入口位置；實驗時，上腔室2和下腔室11均連通實驗回路；

4、所述棒束組件1棒束間的通道中為鉛鉍合金介質(zhì)，棒束組件1包括第一組加熱棒1-1-1、第一組一號螺旋棒1-1-2、第一組二號螺旋棒1-1-3、第一組三號螺旋棒1-1-4、第二組圓棒1-2-1、第二組一號螺旋棒1-2-2、第二組二號螺旋棒1-2-3、第二組三號螺旋棒1-2-4、第三組圓棒1-3-1、第三組一號螺旋棒1-3-2、第三組二號螺旋棒1-3-3、第三組三號螺旋棒1-3-4、第四組圓棒1-4-1、第四組一號螺旋棒1-4-2、第四組二號螺旋棒1-4-3、第四組三號螺旋棒1-4-4和棒格架1-5-1；第一組一號螺旋棒1-1-2、第二組一號螺旋棒1-2-2、第三組一號螺旋棒1-3-2和第四組一號螺旋棒1-4-2位于中部筒體8上部，第一組二號螺旋棒1-1-3、第二組二號螺旋棒1-2-3、第三組二號螺旋棒1-3-3和第四組二號螺旋棒1-4-3位于中部筒體8中部，第一組三號螺旋棒1-1-4、第二組三號螺旋棒1-2-4、第三組三號螺旋棒1-3-4和第四組三號螺旋棒1-4-4位于中部筒體8下部；第一組一號螺旋棒1-1-2底端和第一組二號螺旋棒1-1-3頂端焊接連接，第一組二號螺旋棒1-1-3底端和第一組三號螺旋棒1-1-4頂端焊接連接，第二組一號螺旋棒1-2-2底端和第二組二號螺旋棒1-2-3頂端焊接連接，第二組二號螺旋棒1-2-3底端和第二組三號螺旋棒1-2-4頂端焊接連接，第三組一號螺旋棒1-3-2底端和第三組二號螺旋棒1-3-3頂端焊接連接，第三組二號螺旋棒1-3-3底端和第三組三號螺旋棒1-3-4頂端焊接連接，第四組一號螺旋棒1-4-2底端和第四組二號螺旋棒1-4-3頂端焊接連接，第四組二號螺旋棒1-4-3底端和第四組三號螺旋棒1-4-4頂端焊接連接；第一組加熱棒1-1-1位于第一組一號螺旋棒1-1-2、第一組二號螺旋棒1-1-3和第一組三號螺旋棒1-1-4的中心內(nèi)孔，第一組加熱棒1-1-1頂端穿過上腔室2并采用卡套固定連接；第二組圓棒1-2-1、第三組圓棒1-3-1、第四組圓棒1-4-1分別位于第二組一號螺旋棒1-2-2、第三組一號螺旋棒1-3-2和第四組一號螺旋棒1-4-2頂端中心內(nèi)孔；第一組加熱棒1-1-1、第二組圓棒1-2-1、第三組圓棒1-3-1和第四組圓棒1-4-1采用正方形排列，并采用棒格架1-5-1固定連接；其中第一組三個螺旋棒與第一組加熱棒組裝實現(xiàn)螺旋棒的加熱，模擬實際螺旋型核燃料加熱條件；

5、所述第一組一號螺旋棒1-1-2表面采用增材制造技術(shù)加工有熱電偶夾持裝置，熱電偶夾持裝置包括熱電偶探頭葉瓣夾片j-1、熱電偶探頭槽j-2、熱電偶探頭葉谷夾片j-3和熱電偶套管夾片j-4；熱電偶探頭葉瓣夾片j-1位于第一組一號螺旋棒1-1-2葉瓣表面中線附近，熱電偶探頭槽j-2位于熱電偶探頭葉瓣夾片j-1的內(nèi)側(cè)；熱電偶探頭葉谷夾片j-3位于第一組一號螺旋棒1-1-2葉谷表面中線附近，熱電偶探頭葉瓣夾片j-1和熱電偶探頭葉谷夾片j-3位于相同高度橫截面上；熱電偶套管夾片j-4位于螺旋棒葉谷表面中線附近，熱電偶套管夾片j-4位于熱電偶探頭葉瓣夾片j-1和熱電偶探頭葉谷夾片j-3上部；第一組二號螺旋棒1-1-3表面采用增材制造技術(shù)加工有與第一組一號螺旋棒1-1-2相同的熱電偶夾持裝置；

6、所述實驗裝置還包括用于測量螺旋加熱棒壁溫和測量子通道流體溫度的第一測溫截面a-a、第二測溫截面b-b、第三測溫截面c-c、第四測溫截面d-d和第五測溫截面e-e，出口子通道溫度測量組件5位于第五測溫截面e-e上，入口子通道溫度測量組件9位于第一測溫截面a-a上。

7、所述第一組一號螺旋棒1-1-2、第一組二號螺旋棒1-1-3、第一組三號螺旋棒1-1-4、第二組一號螺旋棒1-2-2、第二組二號螺旋棒1-2-3、第二組三號螺旋棒1-2-4、第三組一號螺旋棒1-3-2、第三組二號螺旋棒1-3-3、第三組三號螺旋棒1-3-4、第四組一號螺旋棒1-4-2、第四組二號螺旋棒1-4-3和第四組三號螺旋棒1-4-4均采用增材制造316l不銹鋼材料制備而成；第一組一號螺旋棒1-1-2分別與第二組一號螺旋棒1-2-2和第三組一號螺旋棒1-3-2軸向平行，且螺旋外表面最小間隙為零；第四組一號螺旋棒1-4-2分別與第二組一號螺旋棒1-2-2和第三組一號螺旋棒1-3-2軸向平行，且螺旋外表面最小間隙為零；四組中二號和三號螺旋棒的位置關(guān)系同四組中一號螺旋棒的位置關(guān)系。

8、所述第一測溫截面a-a的測點包括流體溫度第一測點a-1、流體溫度第二測點a-2和流體溫度第三測點a-3；流體溫度第一測點a-1位于靠近第二組三號螺旋棒1-2-4的角通道區(qū)域，流體溫度第二測點a-2位于第三組三號螺旋棒1-3-4和第四組三號螺旋棒1-4-4形成的邊通道區(qū)域，流體溫度第二測點a-3位于第一組三號螺旋棒1-1-4、第二組三號螺旋棒1-2-4、第三組三號螺旋棒1-3-4和第四組三號螺旋棒1-4-4形成的中心通道區(qū)域；

9、所述第二測溫截面b-b的測點包括壁溫第一測點b-1和壁溫第二測點b-2；壁溫第一測點b-1位于第一組二號螺旋棒1-1-3的葉瓣中線，壁溫第二測點b-2位于第一組二號螺旋棒1-1-3的葉谷中線；

10、所述第三測溫截面c-c的測點包括壁溫第三測點c-1和壁溫第四測點c-2；壁溫壁溫第三測點c-1位于第一組一號螺旋棒1-1-2的葉谷中線，壁溫第四測點c-2位于第一組一號螺旋棒1-1-2的葉瓣中線；

11、所述第四測溫截面d-d的測點包括壁溫第五測點d-1和壁溫第六測點d-2；壁溫第五測點d-1位于第一組一號螺旋棒1-1-2的葉谷中線，壁溫第六測點d-2位于第一組一號螺旋棒1-1-2的葉瓣中線；

12、所述第五測溫截面e-e的測點包括流體溫度第四測點e-1、流體溫度第五測點e-2、流體溫度第六測點e-3、流體溫度第七測點e-4、流體溫度第八測點e-5和流體溫度第九測點e-6；流體溫度第四測點e-1位于第一組一號螺旋棒1-1-2和第二組一號螺旋棒1-2-2形成的邊通道區(qū)域，流體溫度第五測點e-2靠近第一組一號螺旋棒1-1-2的角通道區(qū)域，流體溫度第六測點e-3位于第一組一號螺旋棒1-1-2、第二組一號螺旋棒1-2-2、第三組一號螺旋棒1-3-2和第四組一號螺旋棒1-4-2形成的中心通道區(qū)域，流體溫度第七測點e-4位于第一組一號螺旋棒1-1-2和第三組一號螺旋棒1-3-2形成的邊通道區(qū)域，流體溫度第八測點e-5位于第三組一號螺旋棒1-3-2和第四組一號螺旋棒1-4-2形成的邊通道區(qū)域，流體溫度第九測點e-6靠近第三組一號螺旋棒1-3-2角通道區(qū)域。

13、所述的基于增材制造的螺旋棒束多通道實驗裝置的實驗方法，通過以下步驟實現(xiàn)：

14、步驟一：將實驗裝置的上腔室2和下腔室11與實驗回路的接管相連，測試實驗回路氣密性無問題后開展實驗；

15、步驟二：開展螺旋棒束多通道實驗裝置的阻力實驗：

16、第一步：調(diào)節(jié)電磁泵電流，獲得指定實驗回路流量；

17、第二步：調(diào)節(jié)實驗回路加熱段功率，在螺旋棒束多通道實驗裝置的下腔室11溫度達(dá)到指定溫度后停止加熱；

18、第三步：控制實驗回路伴熱絲加熱功率，確保螺旋棒束多通道實驗裝置的上腔室2和下腔室11溫度偏差小于1.5℃；

19、第四步：記錄指定流量工況下的壓差δp1，記錄時間不少于60s；

20、第五步：停止運行電磁泵，記錄鉛鉍合金介質(zhì)靜止條件下的壓差δp2，

21、第六步：重復(fù)第一步至第五步，獲得不同流量和入口溫度工況下的實驗數(shù)據(jù)；

22、第七步：采用下式計算達(dá)西摩擦阻力系數(shù)：

23、

24、式中，f為達(dá)西摩擦阻力系數(shù)；ρ為密度，kg/m3；l低壓端引壓組件6和高壓端引壓組件7之間的距離，m；u為入口速度，m/s；dh為水力直徑，m；δp1和δp2分別為運行條件和靜止條件下的壓差值；

25、步驟三：開展螺旋棒束多通道實驗裝置橫流交混實驗：

26、第一步：調(diào)節(jié)電磁泵電流，獲得指定實驗回路流量；

27、第二步：調(diào)節(jié)實驗回路加熱段功率，在螺旋棒束多通道實驗裝置的下腔室11溫度達(dá)到指定溫度后停止加熱；

28、第三步：控制實驗回路伴熱絲加熱功率，確保螺旋棒束多通道實驗裝置的上腔室2和下腔室11溫度偏差小于1.5℃；

29、第四步：調(diào)節(jié)螺旋棒束多通道實驗裝置中的圓柱型加熱棒1-1到指定加熱功率；

30、第五步：當(dāng)子通道溫度在60s時間內(nèi)變化不超過0.5℃時，記錄指定流量工況下的溫度和流量實驗數(shù)據(jù)，記錄時間不少于60s；

31、第六步：重復(fù)第一步至第五步，獲得不同流量、子通道溫度和加熱功率工況下的實驗數(shù)據(jù)；

32、第七步：進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理，假設(shè)多個橫流攪混系數(shù)值βk，代入子通道分析程序，得到不同子通道出口溫度計算值tpi；

33、第八步：采用下式計算每個實驗工況下不同子通道出口溫度實驗測量值tei與子通道分析程序得到的不同子通道出口溫度計算值tpi的偏差平方和rk(βk)；

34、

35、第九步：繪制rk(βk)-β曲線圖，當(dāng)rk(βk)取值最小時，對應(yīng)的β值即為螺旋棒束多通道的橫流攪混系數(shù)值。

36、和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點：

37、1、本發(fā)明實驗裝置的螺旋棒采用增材制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，采用熱電偶夾片可實現(xiàn)壁面溫度準(zhǔn)確測量。現(xiàn)有螺旋加熱棒采用車削方法加工，并依靠通入直流電源實現(xiàn)電阻加熱，該種制造方法適用于絕緣流體而不適用于鉛鉍合金。本發(fā)明采用增材制造技術(shù)的螺旋加熱棒，中心內(nèi)孔可與圓柱型加熱棒配合，可以近似模擬螺旋型核燃料加熱條件。

38、2、本發(fā)明的實驗方法通過測量進(jìn)出口不同子通道溫度并結(jié)合子通道分析程序，可以計算橫流攪混系數(shù)，該方法簡單可行，并可節(jié)約實驗成本。