基于線列陣傳感器的射流沖擊試驗含氣率分布研究*

王興濤，田 芳，Jascha Eisemberg，H.-M.Prasser

（1.國核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209；2.Swiss Federal Institute of Technology，Institute of Energy Technology，Zurich 8092，Switzerland）

基于線列陣傳感器的射流沖擊試驗含氣率分布研究*

王興濤1*，田 芳1，Jascha Eisemberg2，H.-M.Prasser2

（1.國核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209；2.Swiss Federal Institute of Technology，Institute of Energy Technology，Zurich 8092，Switzerland）

射流沖擊是一種氣-液兩相流現(xiàn)象，既可作為一種除鹽水混合硼酸的有效方法，也可用于研究壓水堆（PWR）的承壓熱沖擊（PTS）事故現(xiàn)象。當(dāng)液體射流撞擊水面時，發(fā)生氣體夾帶現(xiàn)象，并產(chǎn)生氣泡，氣泡夾帶對混合過程起到關(guān)鍵的影響作用。研究了不同射流高度和流速下的含氣率分布，設(shè)計了一種新型三層可移動線列陣傳感器（WMS）測量瞬時二維局部空隙率，具有較高的空間分辨率（3 mm）和極高的時間分辨率（2 500 Hz），基于線列陣傳感器測量的原始數(shù)據(jù)，獲得了射流沖擊中氣體夾帶的含氣率分布，對比分析了不同射流高度和流速下的平均含氣率分布。

氣-液兩相流；射流沖擊；氣泡夾帶；線列陣傳感器；含氣率

氣-液兩相流廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中（如鍋爐，蒸汽發(fā)生器等）、核反應(yīng)堆設(shè)備中（如氣化裝置，冷凝器等）、以及化工設(shè)備中，研究氣相和液相之間的相互作用，對于理解兩相流行為和熱交換現(xiàn)象非常必要［1］。射流沖擊是氣-液兩相流領(lǐng)域的一種現(xiàn)象［1］，如圖1所示，當(dāng)射流撞擊到液體表面時，其表面被強(qiáng)迫形成環(huán)形半月板形狀，半月板下部的不穩(wěn)定性產(chǎn)生氣泡［2］。

射流沖擊可應(yīng)用于許多工業(yè)應(yīng)用中，比如物質(zhì)混合，湖泊曝氣和廢水處理等［4-5］。在核電領(lǐng)域，壓水堆（PWR）核電站中存在一種承壓熱沖擊（PTS）事故現(xiàn)象，該現(xiàn)象中，冷水注入到填充有部分熱水和蒸汽的冷段，冷熱水的混合對于限制熱反應(yīng)堆壓力容器壁的熱負(fù)荷非常重要，而射流產(chǎn)生的湍流和氣泡夾帶影響冷熱水的混合過程［6］。另外，射流沖擊現(xiàn)象也發(fā)生在去離子水和硼酸的混合過程中，若去離子水和硼酸混合不充分，硼酸濃度可能低于臨界值，嚴(yán)重時將導(dǎo)致核事故，德國菲利普斯堡的核電站曾發(fā)生過類似事故［1］，冷卻液的射流沖擊可作為充分混合硼酸和去離子水的一種有效方法，而且硼酸濃度的測量精確度也非常關(guān)鍵［1］。

圖1 氣體夾帶現(xiàn)象

在射流沖擊中，氣泡夾帶和含氣率分布影響混合過程［5］，因此，需要開展不同射流高度和速度下局部含氣率分布的實(shí)驗研究。射流沖擊實(shí)驗研究的測量方法主要包括γ射線和X射線計算機(jī)斷層掃描、高速攝像、粒子圖像測速（PIV）、聲學(xué)方法和電阻抗成像等［7-10］，高速射線斷層掃描的缺點(diǎn)是價格昂貴，其他光學(xué)方法僅對于低含氣率具有較好的可靠性，且一個設(shè)備僅能測量一個側(cè)視面，無法獲得某個特定點(diǎn)的信息，聲學(xué)方法只提供沒有空間信息的平均數(shù)據(jù)，電阻成像法成本低，但只提供局部數(shù)據(jù)，空間分辨率低。

線列陣傳感器（WMS）是一種用于快速斷層成像的電極網(wǎng)設(shè)備，可用于高含氣率和惡劣工業(yè)設(shè)施環(huán)境中，成本低，測量穩(wěn)定。線列陣傳感器可獲得極高時間分辨率（最高10 kHz）和較高空間分辨率（1.5 mm～3.0 mm）的信息［5，7，11］。Johnson首次使用線列陣傳感器測量原油中水的體積含率［12］。德國Reinecke等人將線列陣傳感器用于層析成像［13］，該迭代圖像重建算法需要大量的計算，非常耗時。H.-M.Prasser等人和TeletronicRossendorf公司研發(fā)了新型線列陣傳感器系統(tǒng)［11］，已成功應(yīng)用于氣-液兩相流測量，實(shí)現(xiàn)了快速斷層成像與圖像顯示［9-10，14］。

1 射流沖擊臺架設(shè)計

圖2 射流沖擊臺架

1.1 系統(tǒng)概述

圖2為射流沖擊臺架的構(gòu)成，主要組成部分如下：

①基于PC機(jī)的測控工作站：包括一個線列陣傳感器位置與運(yùn)動控制模塊，實(shí)現(xiàn)傳感器的指定位置控制和上下運(yùn)動控制；一個數(shù)據(jù)測控模塊，實(shí)現(xiàn)和數(shù)采設(shè)備之間的參數(shù)控制與數(shù)據(jù)采集。

②WMS200數(shù)據(jù)采集設(shè)備：該設(shè)備和線列陣傳感器連接，為傳感器提供驅(qū)動電壓，并采集傳感器的測量數(shù)據(jù)，由測控工作站進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給測控工作站。

③三層可移動式線列陣傳感器：該傳感器由三層相互垂直的鋼絲電極構(gòu)成，若鋼絲電極交叉點(diǎn)處介質(zhì)電導(dǎo)率不同，則測量電流值不同，實(shí)現(xiàn)測量截面局部瞬時空隙率的測量。

④線性電機(jī)：該電機(jī)與可移動式線列陣傳感器連接，用于將傳感器定位在指定位置處，或者用于傳感器在垂直方向的上下運(yùn)動，可通過測控工作站進(jìn)行控制。

⑤水回路：主要包括水泵、水箱、流量計、以及噴嘴，水泵將水箱中的水引導(dǎo)至水箱上方，然后通過噴嘴重新注入水箱中，實(shí)現(xiàn)射流沖擊現(xiàn)象。

在射流沖擊系統(tǒng)中，水從水箱中流出，再從噴嘴注入水箱，形成閉環(huán)循環(huán)流動。射流出口是一段長度為350 mm的管道，末端為圓柱形噴嘴，該射流管道通過軟管和其他管道連接，可以降低或提升射流管道，實(shí)現(xiàn)射流高度的調(diào)整。

1.2 線列陣傳感器測量原理

如圖3所示為簡化的線列陣傳感器，由兩層相互垂直的鋼絲電極構(gòu)成，每層電極由4根相互平行的鋼絲構(gòu)成，其中一層為發(fā)射極，另外一層為接收極，兩層電極不接觸，交叉點(diǎn)為測量點(diǎn)，形成了4×4的測量矩陣。電壓驅(qū)動發(fā)射極，接收極接收電流，通過電流值的放大、采樣保持、以及轉(zhuǎn)換，最終通過總線傳輸數(shù)據(jù)給計算機(jī)［5，11，15］。

圖3 線列陣傳感器簡化圖

圖4 信號控制與采集時序圖

圖4為線列陣傳感器的信號控制與采集時序圖，通過控制SP開關(guān)（圖3），可產(chǎn)生一個驅(qū)動發(fā)射極的矩形脈沖信號，發(fā)射極的每一根鋼絲電極由S1～S4開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)按時序順序使能，其中一個開關(guān)使能，其它開關(guān)斷開，使能的發(fā)射極鋼絲和每根接收極鋼絲之間將產(chǎn)生電流信號，在一個發(fā)射極測量周期內(nèi)（如圖4中發(fā)射電極2的驅(qū)動電壓UT2），通過觸發(fā)控制信號S/H，每根接收極鋼絲分別測量電流值（如圖4中接收電極3的測量電流IR3），該電流值通過后續(xù)處理后通過數(shù)據(jù)總線由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)最后一根發(fā)射極使能，接收極完成電流采樣，則獲得一個二維數(shù)據(jù)矩陣。

2 三層線列陣傳感器設(shè)計

如圖5所示，射流沖擊臺架使用三層線列陣傳感器，由三層相互垂直的鋼絲電極構(gòu)成，中間一層為發(fā)射極，上下兩層為接收極，當(dāng)中間層發(fā)射極使能時，上層和下層接收極可測量電流值，該三層線列陣傳感器具有兩個測量平面。

圖5 三層線列陣傳感器設(shè)計圖

細(xì)長鋼絲電極像天線一樣，容易受外界信號的干擾，而且相鄰鋼絲之間也會相互干擾，因此，兩側(cè)邊緣的鋼絲僅受一根相鄰鋼絲干擾。如圖6所示，為了保證測量信號的同一性，減小邊界效應(yīng)，每層測量平面由68根鋼絲電極組成，但僅有64根鋼絲電極連接WMS200數(shù)采設(shè)備，用于測量數(shù)據(jù)，兩側(cè)各有2根輔助鋼絲僅固定在框架上，接地但不連接數(shù)采設(shè)備，以保證每根鋼絲電極具有相同的測量環(huán)境，因此，該傳感器在每個測量平面可獲得64×64=4 096個交叉測量點(diǎn)。每層測量平面中鋼絲電極之間的間距為3 mm，測量平面之間的軸向間距為3 mm，即發(fā)射極平面和接收極平面之間的間距為3 mm，因此，測量區(qū)域為（64×3）×（64×3）=192 mm×192 mm，鋼絲電極的材料為FeCr18Ni10Mo3，直徑為0.2 mm，傳感器安裝框架的尺寸為400 mm×400 mm。

如圖7所示，傳感器框架由四塊金屬板構(gòu)成，每塊金屬板上面安裝固定了一個PCB板，金屬板和線性電機(jī)連接固定，起到支撐作用，PCB板和鋼絲電極之間由68個螺栓螺母進(jìn)行機(jī)械固定，由64個焊盤進(jìn)行電氣連接，將鋼絲電極測量信號傳輸給數(shù)采設(shè)備，金屬板和鋼絲電極隔離不連接。

圖6 線列陣傳感器尺寸

圖7 三層線列陣傳感器機(jī)構(gòu)

3 試驗和數(shù)據(jù)分析方法

3.1 試驗說明

試驗過程中的射流沖擊和氣泡夾帶如圖8所示，當(dāng)射流水柱撞擊水面時，水下夾帶產(chǎn)生一簇氣泡群。

為了計算分析氣泡夾帶含氣率的三維分布，試驗采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集方式，傳感器由線性電機(jī)驅(qū)動在水箱內(nèi)垂直上下往返運(yùn)動，即上行運(yùn)動和下行運(yùn)動，一次上行/下行運(yùn)動對應(yīng)一次完整的測量周期。本文完成了3組不同參數(shù)的對比試驗，每組試驗中傳感器連續(xù)完成2 000次垂直運(yùn)動，包括1 000次下行運(yùn)動和1 000次上行運(yùn)動，每次運(yùn)動可采集并保存一組傳感器數(shù)據(jù)，因此，每組試驗可獲得2 000次數(shù)據(jù)。試驗中可調(diào)整兩個參數(shù)，即“射流高度”和“流速”，如圖8所示，“射流高度”指從噴嘴出口到水面的垂直距離，“流速”指水回路系統(tǒng)中水的體積流量。如表1所示，進(jìn)行了3組不同參數(shù)的對比試驗，采樣頻率為2 500 Hz，一次垂直運(yùn)動的測量周期為1 s，傳感器上下運(yùn)動的速度為0.5 m/s。

圖8 射流沖擊氣泡夾帶試驗

表1 三組對比試驗參數(shù)

3.2 平均含氣率分布算法

根據(jù)試驗參數(shù)配置，每一根發(fā)射極鋼絲i（1～64）和接收極鋼絲 j（1～64）所構(gòu)成的交叉點(diǎn)為一個測量點(diǎn)，因此，每次采集將得到一個64×64的二維測量值矩陣，線列陣測量系統(tǒng)每秒采集2 500次數(shù)據(jù)，則每幀數(shù)據(jù)k（1～2 500）為一個二維測量值矩陣。傳感器一次垂直運(yùn)動周期（1 s）內(nèi)采集2 500幀二維數(shù)據(jù)矩陣，得到一組［i,j,k］=［64×64×2 500］的三維測量值矩陣，每幀的每個交叉點(diǎn)測量值表示為 μi,j,k，則該測量值可轉(zhuǎn)換為局部瞬時含氣率εi,j,k，

式中：i,j為傳感器橫截面內(nèi)交叉點(diǎn)的索引，取值范圍1～64；k為測量幀的索引，取值范圍1～2 500；μi,j,liquid和 μi,j,gas分別表示交叉點(diǎn)i,j在純液相和純氣相內(nèi)的校準(zhǔn)測量值。通常情況下，空氣為一種絕緣體，氣相的校準(zhǔn)測量值近似為0，即 μi,j,gas=0。交叉點(diǎn)處液相校準(zhǔn)測量值通過傳感器在純水中測量得到，則，εi,j,k可簡化為：

4 試驗結(jié)果

根據(jù)3.2節(jié)含氣率計算方法，求解試驗1組平均含氣率分布，圖9（a）和圖9（b）分別為上行和下行運(yùn)動1 000次測量平均空隙率分布的第1 500幀計算結(jié)果。通過上行和下行運(yùn)動在同一個位置處的結(jié)果對比可知：由于線列陣傳感器是一種侵入式測量方式，當(dāng)傳感器在水中上下運(yùn)動時會影響流型、夾帶氣泡的運(yùn)動與分布，導(dǎo)致兩個運(yùn)動方向測量結(jié)果的差異。

圖9 試驗1組第1500幀平均含氣率結(jié)果

試驗2組在下行運(yùn)動不同位置處的平均空隙率分布如圖10所示，圖10（a）第1幀為水面附近的平均空隙率分布，從圖中可清晰地看到水面下方夾帶產(chǎn)生了一個高含氣率的環(huán)形分布，表明了射流水柱沖擊水面所產(chǎn)生的空氣夾帶現(xiàn)象，如圖10（b）所示，在水面下方較低位置處的第500幀仍可測量得到該環(huán)形分布。如圖10（a）～10（f）所示，在傳感器下行過程中，首先射流水柱撞擊水面，然后水柱周圍的空氣從水和空氣之間的邊界層被夾帶進(jìn)入，這是由于湍流產(chǎn)生的射流表面干擾和接收液體表面之間的相互作用所造成的，夾帶的環(huán)形空氣又被射流水柱推入水下深處，最后環(huán)形空氣在下降運(yùn)動中分解成單獨(dú)的氣泡，在運(yùn)動過程中，一些氣泡可能會聚集成為一個更高含氣率的大氣泡，如圖10（d）的中心處所示，僅有一小部分的氣泡能夠抵達(dá)底部，如圖10（e）所示。

圖10 試驗2組下行運(yùn)動平均空隙率分布

將水下氣泡群沿垂直方向（運(yùn)動方向）剖面，可得到平均含氣率的垂直分布，如圖11所示，當(dāng)水從噴嘴射流撞擊水面時，發(fā)生氣泡夾帶現(xiàn)象，水面之下產(chǎn)生柱狀水渦，頂部射流的周圍存在更多的氣泡，一些夾帶的氣泡進(jìn)一步被推入水下，從水渦側(cè)面脫離，然后返回水面，僅有少數(shù)氣泡在射流中心。對比試驗2組和試驗3組，相同流速時，若增加射流高度，則減小空氣夾帶深度，增加氣泡群密度。對比試驗2組和試驗1組，相同射流高度時，若增加流速，則增加空氣夾帶深度，空氣夾帶產(chǎn)生的氣泡群更加均勻。

此外，圖11中水面附近存在兩個較高含氣率的矩形條，表明了射流沖擊的空氣夾帶現(xiàn)象。如圖10 （a）所描述，該現(xiàn)象在水平橫截面平均含氣率分布中也可觀察到，如圖12所示，三組試驗中水面正下方的第一幀圖像存在一個較高含氣率的環(huán)形區(qū)域，中間區(qū)域含氣率較低，表明了射流水柱在環(huán)形區(qū)域中心處沖擊水面，在水柱周圍產(chǎn)生空氣夾帶。

圖11 試驗1組～3組下行運(yùn)動平均空隙率的垂直橫截面分布（j=35）

圖12 試驗1組～3組下行運(yùn)動第一幀試驗結(jié)果

5 總結(jié)

本文設(shè)計了一種可移動式三層線列陣傳感器，用于測量射流沖擊空氣夾帶的局部瞬時空隙率，該傳感器具有較高的空間分辨率和極高的時間分辨率，設(shè)計了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法，根據(jù)原始測量數(shù)據(jù)求解了平均含氣率分布。分析討論了平均含氣率的水平截面分布和垂直截面分布情況，依據(jù)試驗結(jié)果分析說明了射流沖擊的空氣夾帶現(xiàn)象。

試驗結(jié)果會受到不同種類誤差的影響，比如金屬框架引起信號噪聲，導(dǎo)致測量信號誤差，算法中的一些假設(shè)導(dǎo)致虛假含氣率的產(chǎn)生等等。然而，在可移動式三層傳感器設(shè)計方面，本文提供了有價值的經(jīng)驗，對于射流沖擊空氣夾帶現(xiàn)象的氣泡形成與分布，給出了試驗性分析與驗證。

［1］ Daniel Wilhelm.Measurement of the Bubble Distribution Caused by a Plunging Liquid Jet［D］.Zürich：ETH，2010.

［2］ Jose M Lopez Mendoza.Falling Film and Gas Entrainment in Vertical Downward Two-Phase Flow［D］.Oklahoma：The University of Tulsa，2011.

［3］ Van de Donk J.Water Aeration with Plunging Jets［D］.The Netherlands：Delft University of Technology，1981.

［4］ H.-M.Prasser，Scholz D，Zippe C.Bubble Size Measurement Using Wire-Mesh Sensors［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2001（12）：299-312.

［5］ Jascha Eisenberg.Automation，Stabilization and Synchronization of a Movable Wire Mesh Sensor［D］.Zürich：ETH，2011.

［6］ Marco Jose da Silva，Tobias Sühnel，Eckhard Schleicher，et al. Planar Array Sensor for High-Speed Component Distribution Imaging in Fluid Flow Applications［J］.Sensors，2007（7）：2430-2445.

［7］ 孫亞杰，高藝，薛瑤環(huán)，等.相控陣超聲監(jiān)測成像與直方圖匹配圖像增強(qiáng)實(shí)驗研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2015，28（1）：86-92.

［8］ Reungoat D，Riviere N，F(xiàn)aure J P.3C PIV and PLIF Measurement in Turbulent Mixing-Roundjet Impingement［J］.Journal of Visualization，2007（10）：99-110.

［9］ Bonetto F，Lahey Jr R T.An Experimental Study on Air Carry-Under Due to a Plunging Liquid Jet［J］.International Journal of Multiphase Flow，1993（19）：281-294.

［10］張慧，何常德，苗靜，等.一種基于MATLAB的CMUT陣列設(shè)計與成像仿真方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2014，27（4）：490-494.

［11］H.-M.Prasser，B?ttger A，Zschau J.A New Electrode-Mesh Tomograph for Gas-Liquid Flows［J］.Flow Measurement and Instrumentation，1998（9）：111-119.

［12］Johnson I D.Method and Apparatus for Measuring Water in Crude Oil［P］.United States Patent，4644263.1987-02-17.

［13］Reinecke N，Boddem M，Petritsch G，et al.Tomographisches Messender Relativen Phasenanteile in Zweiphasigen StromungenfluiderPhasen［J］.ChemieIngenieurTechnik，1996，68（11）：1404-1412.

［14］孫青，王化祥.一種新型網(wǎng)絲傳感器優(yōu)化設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（4）：465-470.

［15］Ito D，H.-M.Prasser，Kikura H，et al.Uncertainty and Intrusiveness of Three-Layer Wire-Mesh Sensor［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2011（22）：249-256.

王興濤（1985-），男，國核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，博士，工程師，主要研究方向為非能動先進(jìn)壓水堆核電站熱工水力試驗測控技術(shù)、線列陣傳感器兩相流測量技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等，wangxingtao@snptc.com.cn；

田 芳（1972-），女，國核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向為非能動先進(jìn)壓水堆核電站熱工水力試驗儀控電氣技術(shù)，tianfang@snptc.com.cn。

Study on Void Fraction Distribution of Plunging Jet Experiment with Wire Mesh Sensor*

WANG Xingtao1*，TIAN Fang1，Jascha Eisemberg2，H.-M.Prasser2
（1.State Nuclear Power Technology Research and Development Centre，Beijng 102209，China；2.Swiss Federal Institute of Technology，Institute of Energy Technology，Zurich 8092，Switzerland）

The plunging jet is a phenomenon of two phase gas-liquid flow，which could be an effective method to sufficiently mix boric acid with de-ionized water，and is suitable for studying the Pressurized Thermal Shock（PTS）accident scenario of Pressurized Water Reactors（PWR）.The air is entrained when the liquid jet hits the water surface，which generates bubbles during the air entrainment.This bubble entrainment has a crucial influence on the mixing process.The distribution of void fraction was studied in dependence of the jet length and flow rate.A movable threelayer Wire Mesh Sensor（WMS）is designed to measure sequences of instantaneous two-dimensional gas fractions with a high-resolution in space and time，which，from the data，derives the void fraction distributions.Comparisons of average void fraction are carried out with different jet lengths and flow rates.

gas-liquid flow；plunging jet；bubble entrainment；wire mesh sensor；void fraction EEACC：7210；7230

TP212

A

1004-1699（2015）07-1008-08

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.07.012

項目來源：國家核電技術(shù)公司員工自主創(chuàng)新項目（SNP-KJ-CX-2015-16）

2015-04-12 修改日期：2015-06-29