棒束通道溫度場測量可視化實驗系統的制作方法

本發明涉及一種棒束通道溫度場測量可視化實驗系統，屬于流體力學、反應堆熱工水力學領域。

背景技術：

對壓水堆堆芯而言，棒束燃料組件是基本的燃料組件形式，因此棒束通道內的熱工水力特性對反應堆安全性和經濟性起著重要的作用，有助于防止堆芯的局部過熱，降低DNB發生的機率，國內外對棒束通道內的溫度分布及換熱特性做了大量研究。傳統的實驗研究方法是采用熱電偶獲取棒束通道內的溫度分布，從而對棒束通道內的換熱特性進行分析。但是這種方法需要在棒束通道內布置較多的熱電偶，對于結構復雜的棒束通道，布置熱電偶嚴重干擾了內部流場的流動形式，破壞了渦流等二次流流動特性，導致無法準確的獲得攪混裝置下游的溫度場分布。因此為了對棒束通道內溫度場進行實時、全場、無擾的測量，采用激光誘導熒光技術對棒束通道溫度場進行測量是十分有必要的，目前有學者采用該技術對矩形、圓管等通道進行了溫度場測量，由于矩形、圓管等通道結構簡單，實驗系統布置簡單，無需采用復雜的標定技術和光路布置等，而對于結構復雜的棒束通道而言，有必要設計一種用于模擬棒束通道溫度場測量的可視化實驗系統，運用激光誘導熒光技術獲得棒束通道內全場的溫度分布。

技術實現要素：

本發明的目的是為了提供一種棒束通道溫度場測量可視化實驗系統，實現溫度實時、全場、無干擾的測量，該系統操作方便，測量數據精確，應用范圍廣泛。

本發明的目的是這樣實現的：在循環水箱側面出口依次連接第一閥門、離心泵、三通閥門、第二閥門、流量計、過濾器后與棒束通道的下端連接，棒束通道上端通過管路與循環水箱上端連通且在連接管路上設置有出口溫度計，在流量計與過濾器之間的管路上設置有入口溫度計和壓力表，三通閥門的第三端通過管路連接旁通閥門后與循環水箱上端連通，循環水箱內還設置有預熱器和換熱器，所述棒束通道內的上下兩端分別設置有一塊銅板，兩塊銅板之間設置有加熱棒，所述棒束通道內均勻設置有棒束，且棒束的兩端通過法蘭與棒束通道連接，且加熱棒位于棒束之間，位于下端的銅板上安裝有連接塊，連接塊與位于下端的法蘭之間設置有彈簧，所述棒束通道內的中上部設置有熱電偶載體，熱電偶載體上設置有熱電偶。

本發明還包括這樣一些結構特征：

1.還包括由電動三維移動平臺和安裝在電動三維移動平臺上的激光器組成的光路系統。

2.還包括數據采集系統，所述數據采集系統包括分光鏡、兩個高速攝像儀、同時與兩個高速攝像儀連接的同步器、采集器和電腦，所述出口溫度計、入口溫度計、壓力表、流量計均與采集器連接，所述激光器發出的激光片光穿過棒束通道并形成測量平面，同時激發出的熒光通過分光鏡被兩個高速攝影儀采集，通過電腦記錄兩個高速攝影儀采集的數據。

3.所述棒束通過設置在棒束通道內的定位格架固定。

4.所述棒束通道、熱電偶載體的材料均是有機玻璃。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：(1)本發明采用可視化棒束結構，實現了激光誘導熒光技術在棒束這種復雜通道中的技術應用，滿足溫度的實時、全場、無擾的精確測量；(2)加熱組件能實現對加熱棒的固定，在銅板上安放彈簧，通過彈簧的伸縮性能將連接塊頂靠在銅板上，防止由于實驗過程中加熱棒的膨脹收縮導致連接塊的脫離，保證加熱棒、連接塊以及銅板的緊密連接；(3)在溫度標定過程中，采用有機玻璃加工的熱電偶載體，能保證較高的透明度和結構強度，防止熱電偶的震動，該載體可固定在不同的高度，實現對不同高度區域的溫度標定，同時載體對棒束通道侵占較小，保證激光的穿透，從而實現準確的溫度標定；(4)在加熱過程中，熱電偶載體被取出，由加熱組件進行加熱，兩臺高速攝影儀由高精度電動三維移動平臺來精確定位，由同步器控制兩臺高速攝影儀進行拍攝，獲取不同截面和高度的實驗數據；(5)進一步的，基于兩臺高速攝影儀獲取的圖像在時間、空間上的準確匹配，從而實現高精度的溫度全場測量，保證數據的準確性。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖；

圖2是本發明的光路示意圖；

圖3是本發明的棒束通道的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。

本發明提供的是一種用于模擬棒束通道溫度場實時、全場測量的可視化實驗測量系統，結合圖1，本發明包括流動回路、實驗臺架、光學回路和數據采集系統四個部分。流動回路中的主要設備包括循環水箱1、第一閥門2、離心泵3、三通閥門4、第二閥門5、流量計6、入口溫度計7和壓力表8、過濾器9、出口溫度計10、旁通閥門11、預熱器12以及換熱器13，是實驗系統的基礎部分，用以實現工質的單相循環流動，其中水箱內部儲存著熒光染色劑，預熱器和換熱器放在水箱內部，離心泵位于水箱的下游，為工質在整個系統內的循環提供動力，三通閥門、第二閥門、壓力表、流量計、入口溫度計、過濾器、出口溫度計依次布置在離心泵后方，實現流動回路流量、壓力以及溫度的測量，同時過濾器能過濾雜質，保證進入實驗本體的工質的純凈度。實驗臺架主要包括棒束通道15、安裝在本體內部的可視化棒束22、加熱棒23、銅板24、熱電偶載體25、固定棒束的定位格架26、彈簧27、連接塊28、熱電偶31，用來放置實驗本體，模擬反應堆棒束通道的幾何結構，實現溫度的標定與全場測量。光學回路主要包括激光器29、電動三維移動平臺30，用來產生激光片光，激光發射器發出的激光經過整型后，形成窄片光，通過電動三維移動平臺，可以實現激光片光的準確定位，實現激光發射器的三維運動在0.1毫米量級內，保證激光平面位置的準確性。數據采集系統主要包括電腦14、分光鏡16、第一高速攝影儀17、電動三維移動平臺18、第二高速攝影儀19、同步器20、采集系統21，用來精確記錄實驗數據和參數激發的熒光通過分光鏡，被垂直布置的第一高速攝影儀和第二高速攝影儀捕獲，并將數據傳送至電腦；所述溫度計、壓力表、流量計和熱電偶均與采集器連接。

將上述各個部件進行連接即可完成實驗系統的搭建，實驗時，在離心泵3的驅動下將工質充滿整個流動回路，并通過閥門2、4、5、11的開度來調節流量，并通過流量計6、溫度計7、10以及壓力表8記錄實驗參數，通過調節光路系統和實驗臺架使激光片光穿過棒束通道，利用電動三維移動平臺18對高速攝影儀17、19進行精確定位，獲取測量區域的圖像，并將數據傳輸到電腦14存儲。本發明可以實現棒束通道溫度場的實時、全場、無擾的測量，操作方便，數據準確。

進一步地，熱電偶載體采用透明的有機玻璃加工制作，既能保證結構強度，同時還能保證透明度，使激光能夠穿過，載體能防止熱電偶在流動工況下的震動，同時保證載體不隨工質的流動發生滑移。

進一步地，加熱方式采用加熱棒、彈簧、銅板和連接塊組合的形式，不但能夠固定加熱棒，還可以通過彈簧的伸縮性將連接塊頂靠在銅板上，保證各部件的緊密連接。

進一步地，兩臺高速攝影儀通過高精度電動三維移動平臺，并通過同步器觸發信號，實現同時拍攝，保證數據的準確性。

結合圖2，在本發明中，激光器29發出的激光片光穿過棒束通道，形成測量平面，同時激發出的熒光通過分光16被兩臺高速攝影儀采集，并通過電腦14記錄，以便后期處理分析。

結合圖3，可視化的棒束通道15由有機玻璃加工而成，兩端通過法蘭連接，可視化棒束22放在通道內，由定位格架26固定，同時加熱棒23放置在棒束通道內，上端由銅板24固定，下端通過彈簧27、銅板24和連接塊28緊密連接，同時上下兩端起到導通電流的作用，熱電偶載體25布置在定位格架的下游，對熱電偶31準確定位，同時保證在工質流過棒束通道時，對熱電偶起到固定和支撐的作用，防止熱電偶由于工質的沖擊而發生震動。