液態(tài)鉛鉍合金流動速度場測量技術(shù)研究

鮑國剛，朱志強(qiáng)，賀 建，高 勝，灑榮園，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中國科學(xué)院中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230031）

液態(tài)鉛鉍合金是先進(jìn)反應(yīng)堆－加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）優(yōu)選的散裂靶材料和冷卻劑材料，堆芯組件的布局以及靶窗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與其周圍鉛鉍的流動速度分布直接相關(guān)［1］。因此，急需開展液態(tài)鉛鉍合金流動速度場測量技術(shù)的研究以滿足上述實(shí)際應(yīng)用需求。FDS［2］團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)建造的KYLIN－Ⅱ熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置可以開展堆芯組件的布局優(yōu)化研究，為鉛鉍冷卻反應(yīng)堆CLEAR的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證［3，4］。

液態(tài)鉛鉍合金是一種高溫不透明流體，常用的光學(xué)類速度場測量方法，如粒子成像測速（PIV）、激光多普勒測速 （LDV）、高速CCD成像等已經(jīng)不再適用。皮托管測速、熱線／熱膜測速、機(jī)械光學(xué)法等速度場測量方法需要將測量探頭侵入到被測介質(zhì)中，由此帶來的擾動將會影響測量準(zhǔn)確度。為了保證測量精度，一般侵入式的測量探頭尺寸都非常小，但這難以滿足液態(tài)鉛鉍合金高密度、大黏度、腐蝕性等屬性對測量探頭高強(qiáng)度的要求。超聲多普勒測速技術(shù)（UDV）與LDV原理相似，即：超聲波與介質(zhì)中示蹤粒子相對運(yùn)動，反射回的超聲波產(chǎn)生頻移，分析該頻移信息測得速度場分布。相比之下，UDV測速技術(shù)克服了LDV不能在非透明介質(zhì)中傳播的缺點(diǎn)。超聲波成像技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測，Takeda Y率先將該技術(shù)應(yīng)用到了物理與工程中流體的測量并最早利用該技術(shù)進(jìn)行了低溫液態(tài)金屬汞的測量［5］；Brito、A.Cramer等人分別利用該技術(shù)進(jìn)行了低溫液態(tài)金屬鎵與鎵銦錫的測量［6－7］；為克服高溫限制，S.Eckert等人研制超聲波導(dǎo)管，把超聲多普勒測速技術(shù)應(yīng)用到了350℃以上的液態(tài)金屬流動測量［8－9］；Y.Ueki［10］等人利用自制的高溫探頭 HTUDV對320℃的鉛鋰介質(zhì)進(jìn)行了測量。

本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)攪動裝置，首先對常溫水的流動進(jìn)行測量，驗(yàn)證商用超聲波多普勒測速技術(shù)用于速度場分布測量的可行性。通過進(jìn)一步對150℃液態(tài)鉛鉍的流動測量，驗(yàn)證該技術(shù)應(yīng)用于高溫液態(tài)鉛鉍介質(zhì)中測量的可行性，同時探討其存在的技術(shù)難點(diǎn)以及可能的解決方法。掌握該技術(shù)，可為在KYLIN－Ⅱ?qū)嶒?yàn)回路開展熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 超聲多普勒測速儀與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 超聲多普勒測速原理

超聲多普勒測速儀能夠以非侵入式的方式測量不透明流體的流動并且可以實(shí)時傳遞全場速度分布信息。根據(jù)超聲多普勒測速原理得到［1］。

式中：vR——接收器相對介質(zhì)的速度，m／s；vs——波源相對介質(zhì)的速度，m／s；c——介質(zhì)中的聲速，m／s；λ——波源靜止，相鄰兩相位等相面的距離，m；T——時間，s；fe——波源發(fā)射聲波的頻率，Hz；fr——接收器接收聲波的頻率，Hz。

示蹤粒子的運(yùn)動速度v遠(yuǎn)小于聲波傳播速度c，且實(shí)際上示蹤粒子的速度v只是速度在聲波傳播方向的分量，因此：

式中，fD——頻移，Hz。

1.2 液態(tài)鉛鉍合金流動速度場測量分析

為了實(shí)現(xiàn)鉛鉍合金的流動速度場測量，高溫、媒質(zhì)的特性阻抗匹配、潤濕性等問題需考慮。超聲波一般是利用壓電材料的電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生，由于受到壓電材料居里點(diǎn)溫度特性的影響，普通的超聲波探頭很難應(yīng)用于高溫（＞250℃）介質(zhì)工況。因此，要選擇居里點(diǎn)溫度高的壓電材料用于超聲波的產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)中液態(tài)鉛鉍介質(zhì)溫度范圍為130～250℃，商用高溫超聲波探頭能夠滿足要求。

特性阻抗是表征媒質(zhì)固有特性的一個重要物理量，其大小是媒質(zhì)密度與聲速的乘積值。特性阻抗比媒質(zhì)密度、媒質(zhì)中聲波傳播速度的單獨(dú)影響還要大。

特性阻抗計(jì)算公式為：

式中z——介質(zhì)的特性阻抗，Ns／m3；c——介質(zhì)中的聲速，m／s；ρ——介質(zhì)的密度，kg／m3；

鉛鉍合金介質(zhì)物性參數(shù)見表1，則液態(tài)鉛鉍特性阻抗zPbBi為：

表1 介質(zhì)物性［1，11］Table 1 Properties comparison of the measured medium

為保證超聲波的有效傳播，重點(diǎn)考慮的是匹配壓電材料、耦合介質(zhì)、探頭前壁材料與被測液態(tài)鉛鉍合金之間的特性阻抗。其中，鋁特性阻抗zAl為［8］：

理論上，單從特性阻抗匹配程度來說，鋁的特性阻抗與鉛鉍的特性阻抗非常接近，是一種優(yōu)良的探頭前壁材料。超聲多普勒測速是一種非侵入式的測量方式，但是超聲波探頭需要與被測介質(zhì)接觸，這就要求探頭前壁材料能與被測介質(zhì)之間達(dá)到良好的潤濕性。一般可以通過機(jī)械拋光以及化學(xué)酸洗等方法來優(yōu)化前壁材料與鉛鉍合金的潤濕性［8］。

1.3 旋轉(zhuǎn)攪動裝置

旋轉(zhuǎn)攪動裝置原理如圖1所示，裝置包含加熱系統(tǒng)，可以將液態(tài)鉛鉍合金加熱到250℃，通過K型熱電偶進(jìn)行溫度測量，溫度信號反饋到控制器，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時進(jìn)入保溫狀態(tài)?？刂破鬟€可以控制攪動盤的攪動速率，以達(dá)到在不同速率下進(jìn)行測量的目的。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of test facility

2 流動速度場測量

2.1 常溫水流動速度場測量

首先在旋轉(zhuǎn)裝置中使用超聲多普勒測速儀對常溫水的流動進(jìn)行了測量。測量區(qū)域位于攪動盤與不銹鋼坩堝之間，如圖1中所示位置1。對不同測量工況，需對超聲多普勒測速儀進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置，綜合考慮本實(shí)驗(yàn)工況條件，其部分重要參數(shù)如表2所示。

表2 超聲多普勒測速儀參數(shù)Table 2 Parameters of ultrasound Doppler Velocimetry（UDV）

圖2是超聲多普勒測速儀實(shí)時記錄并顯示流動速度場分布情況。根據(jù)超聲多普勒測速原理，超聲波探頭測量位置固定，攪動方向相反時，測得流動速度對稱分布，這與圖2b）測量結(jié)果相一致。超聲波傳播到不銹鋼坩堝底部時發(fā)生反射，因此，圖2所示深度55mm附近，能量幅值與流動速度發(fā)生突變，這是判定測量深度的重要依據(jù)。

圖2 順時針／逆時針攪動時流速與超聲波能量隨深度的變化情況Fig.2 Velocity of the water varying in opposite stirring directions

實(shí)驗(yàn)中以w為基數(shù)倍增調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤攪動速度。圖3給出了不同深度，流速與攪動速度的變化關(guān)系，由此可知：同一深度，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流速增加；不同深度，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流速變化不同，距離攪拌盤越近的位置流速增加越快。上述測量結(jié)果與理論規(guī)律一致，證明了UDV測速技術(shù)用于速度場測量的可行性。

圖3 不同深度處流速與攪動速度的變化關(guān)系Fig.3 Velocity of the water varying with the stirring rate at different depths

2.2 液態(tài)鉛鉍流動速度場測量

基于圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，對150℃的液態(tài)鉛鉍攪動狀態(tài)下的流動進(jìn)行了測量。為了證明該超聲波探頭可以用于液態(tài)鉛鉍的流動測量，首先對超聲波的能量幅值與速度分布情況進(jìn)行了對比，如圖4所示，此時，測量區(qū)域?yàn)閿嚢璞P上部液態(tài)鉛鉍區(qū)域，如圖1中所示位置2。

圖4說明，超聲波探頭發(fā)出的超聲波在遇到攪動盤后發(fā)生了反射，超聲波能量在探頭與攪動盤之間來回振蕩而逐漸減小，對應(yīng)的速度也不斷發(fā)生相應(yīng)發(fā)生同周期的變化。由于來回振蕩導(dǎo)致時間偏移增大，接收器接收超聲波的頻率fr減小，從而流速值周期性增大。

固定探頭位置不變，調(diào)節(jié)攪拌盤的攪動速度，類似于對介質(zhì)水的測量，以轉(zhuǎn)速w′為基數(shù)倍增調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤攪動速度，測量結(jié)果如圖5所示，測量點(diǎn)為一定深度處速度平均值，相應(yīng)的曲線為不同轉(zhuǎn)速下測量結(jié)果的擬合。攪拌盤上部液態(tài)鉛鉍的流動速度隨著攪拌盤轉(zhuǎn)速的增加而增大，且呈拋物線形分布。

圖4 不同深度處超聲波能量與流速的關(guān)系Fig.4 Velocity and nergy corresponding to a periodic distribution at different depths

如圖5所示，取拋物線中間位置（約Depth＝9.48mm）處不同轉(zhuǎn)速時鉛鉍的流動速度值，其結(jié)果分布如圖6所示。由此可以得出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，同一深度處的流動速度線性倍增。在95%的置信區(qū)間內(nèi)，其線性變化情況滿足方程：

這說明，攪動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速增加1倍，同一深度處液態(tài)鉛鉍流動速度相應(yīng)增加約0.6倍。盡管該比例系數(shù)會受攪動裝置尺寸、介質(zhì)溫度等條件的影響，但是，測量結(jié)果與理論規(guī)律的一致性仍然成立，從而驗(yàn)證了UDV技術(shù)應(yīng)用于高溫液態(tài)鉛鉍介質(zhì)中測量的可行性。

圖5 不同深度處流速與攪動速度關(guān)系Fig.5 Velocity of the LBE changed with the stirring rate at different depths

圖6 同一深度處流速與攪動速度的關(guān)系Fig.6 Velocity of the LBE changed with the stirring rate at depth＝9.48mm

3 結(jié)論

本文首先討論了UDV測速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，基于攪動裝置給出了對常溫水與液態(tài)鉛鉍的測量結(jié)果?；跀噭友b置對常溫水和液態(tài)鉛鉍的測量結(jié)果說明：同一深度處，隨著轉(zhuǎn)速增加流速增加，且具有非常好的線性度；不同深度處，隨著轉(zhuǎn)速的增加流速變化不同，但距離攪拌盤越近的位置流速增加越快。從而證明，測量結(jié)果與理論規(guī)律一致，初步驗(yàn)證UDV測速技術(shù)應(yīng)用于高溫液態(tài)鉛鉍介質(zhì)中測量的可行性。對本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量分析有待通過其他精確的測量手段對比分析或通過模擬計(jì)算驗(yàn)證。后期，UDV技術(shù)將應(yīng)用于KYLIN－Ⅱ回路開展關(guān)于先進(jìn)反應(yīng)堆ADS的熱工水力學(xué)相關(guān)速度場實(shí)驗(yàn)研究。

致謝

特別感謝FDS團(tuán)隊(duì)其他成員對本文工作的支持和幫助。

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