棒束通道內(nèi)定位格架攪混特性PIV可視化研究

李 興，譚思超, *，祁沛垚，米爭(zhēng)鵬，何宇豪

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

燃料組件是核電站反應(yīng)堆系統(tǒng)的核心部件，是核裂變反應(yīng)的發(fā)生地，也是核動(dòng)力系統(tǒng)熱源，因此其性能直接影響核反應(yīng)堆系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。定位格架作為燃料組件的重要部件，在燃料組件中不僅起到定位、支撐和夾持的作用，而且定位格架上方設(shè)置的攪混裝置對(duì)反應(yīng)堆熱工水力特性的影響十分顯著，如帶攪混翼的定位格架，相比于無(wú)攪混翼格架，可使燃料組件內(nèi)臨界熱流密度提高20%以上，使熱工性能明顯改善[2]。因此開(kāi)展定位格架攪混性能研究有助于燃料組件的性能優(yōu)化，對(duì)反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行十分重要。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)燃料組件內(nèi)定位格架攪混作用下的三維流場(chǎng)開(kāi)展了一系列研究，相對(duì)于其他方法具有顯著的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，能更好地優(yōu)化燃料組件熱工水力性能。然而目前通過(guò)CFD計(jì)算模擬燃料組件內(nèi)部流動(dòng)傳熱特性的準(zhǔn)確性和可靠性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證，模型適用性還要繼續(xù)改進(jìn)與完善[3-7]。對(duì)于模擬燃料組件的實(shí)驗(yàn)研究可很好地補(bǔ)充CFD計(jì)算短板，但傳統(tǒng)的測(cè)量方法已無(wú)法滿足人們對(duì)測(cè)量精度以及測(cè)量范圍的要求，因此對(duì)于燃料組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍迫切需要一種能提供準(zhǔn)確、可靠、全場(chǎng)的測(cè)量方法。

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，先進(jìn)的可視化測(cè)量技術(shù)被應(yīng)用到棒束通道內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量，國(guó)外學(xué)者應(yīng)用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)針對(duì)帶定位格架的棒束通道內(nèi)流場(chǎng)研究較多[8-12]。受到棒束通道復(fù)雜結(jié)構(gòu)和缺乏測(cè)量技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)多集中于棒束通道內(nèi)阻力特性研究[13-14]，而開(kāi)展針對(duì)棒束通道的可視化研究較少[15]。本文應(yīng)用PIV技術(shù)對(duì)帶有定位格架的5×5棒束通道內(nèi)冷卻劑流動(dòng)特性開(kāi)展可視化研究。通過(guò)設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)，針對(duì)定位格架的攪混性能開(kāi)展定位格架上下游流場(chǎng)測(cè)量，分析不同流速、格架間距對(duì)棒束通道流場(chǎng)的影響，為今后燃料組件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

棒束通道流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括流動(dòng)回路、可視化實(shí)驗(yàn)本體、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相關(guān)儀表設(shè)備，如圖1所示。可視化實(shí)驗(yàn)本體以及光學(xué)系統(tǒng)固定于減震平臺(tái)以盡量降低由振動(dòng)引入的測(cè)量誤差。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)Fig.1 Experiment flow system

1.1 實(shí)驗(yàn)回路

實(shí)驗(yàn)回路包括循環(huán)回路和外部冷卻回路。循環(huán)回路主要包含循環(huán)水箱、循環(huán)泵、過(guò)濾器、溫度傳感器、流量計(jì)、壓力計(jì)、5×5棒束實(shí)驗(yàn)本體(燃料組件模擬體)以及相應(yīng)的連接管道閥門(mén)等。外部冷卻回路主要由換熱器以及連接管組成。換熱器放置在水箱中，主要是保證循環(huán)回路中去離子水溫度恒定。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需將去離子水加熱到一定溫度，以降低水中含氧量，防止在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生氣泡影響拍攝效果。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水箱中的水由循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)后流經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入5×5棒束通道實(shí)驗(yàn)段，循環(huán)流量通過(guò)回路閥門(mén)與旁通閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)。通過(guò)流量計(jì)、溫度計(jì)及壓力計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)。

1.2 實(shí)驗(yàn)本體

實(shí)驗(yàn)本體采用5×5棒束正方形矩陣排列，具體通道參數(shù)如圖2所示。棒束通道實(shí)驗(yàn)本體作為燃料組件的模擬體，是流場(chǎng)的測(cè)量實(shí)施區(qū)域，要求具有良好的可視化性能。實(shí)驗(yàn)本體主要包括可視化流道筒體與可視化棒束。

圖2 棒束通道Fig.2 Rod bundle

流道筒體四壁由透明有機(jī)玻璃粘接而成，兩端通過(guò)螺栓鏈接，方便拆卸。本體入口處設(shè)有蜂窩板、孔板，用以整流，以盡量降低入口效應(yīng)的影響。在實(shí)驗(yàn)本體的頂部邊緣設(shè)有排氣閥，用于實(shí)驗(yàn)初始階段的充水排氣，排氣孔設(shè)置在本體的外緣，目的是防止橫截面拍攝時(shí)遮擋流道。

棒束結(jié)構(gòu)采用氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)材料，F(xiàn)EP的折射率為1.338，與水的折射率匹配誤差為0.375%，可有效減小相界面變化引入的示蹤粒子位移誤差[12]。但FEP材料對(duì)光的吸收率較大，所以壁厚選擇0.35 mm，整個(gè)模擬燃料棒呈高度透明狀態(tài)。為避免流體經(jīng)過(guò)定位格架后改變流向沖擊棒束進(jìn)而導(dǎo)致流致振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，通過(guò)拉直實(shí)驗(yàn)棒束保證準(zhǔn)直性。

棒束通道內(nèi)設(shè)置有3個(gè)定位格架，定位格架結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括鋼突、彈簧、攪混翼、圍板等結(jié)構(gòu)部件，鋼突和彈簧主要起固定和夾持棒束的作用，攪混翼主要對(duì)流場(chǎng)引入橫向攪混。

圖3 定位格架幾何結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of spacer grid

2 PIV測(cè)量系統(tǒng)

PIV測(cè)量系統(tǒng)由高速攝影儀、連續(xù)激光器、系統(tǒng)控制軟件、后處理軟件以及相關(guān)的光學(xué)透鏡和支架組成。具體PIV系統(tǒng)參數(shù)列于表1。

表1 PIV系統(tǒng)參數(shù)Table 1 PIV parameter

PIV技術(shù)是一種基于流場(chǎng)中粒子圖像互相關(guān)分析的非接觸式流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，能無(wú)擾動(dòng)、精確有效地測(cè)量流速分布。利用PIV技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)時(shí)，需在流場(chǎng)中散播比重適當(dāng)、跟隨性較強(qiáng)的示蹤粒子，用流場(chǎng)中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)可基本表征流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)；片光源照亮測(cè)量區(qū)域，同時(shí)使用高速攝影儀俘獲粒子移動(dòng)信息，并記錄相鄰兩張圖像的時(shí)間步長(zhǎng)，進(jìn)行圖像相關(guān)計(jì)算，識(shí)別示蹤粒子在相鄰兩張圖像中的位置，從而確定粒子位移，得到流場(chǎng)分布[16]。

應(yīng)用PIV技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)時(shí)，示蹤粒子的選取對(duì)測(cè)量精度至關(guān)重要。受棒束通道復(fù)雜流場(chǎng)行為的限制，實(shí)驗(yàn)選擇聚酰胺粒子(粒子直徑10 μm，比重1.04 g/mL)，并應(yīng)用斯托克斯數(shù)(St)評(píng)價(jià)該粒子的示蹤行為[17]。示蹤粒子的斯托克斯數(shù)是粒子的松弛時(shí)間τp和流體特征時(shí)間τk之比，計(jì)算如下：

St=τp/τk

(1)

(2)

τk=Dh/U

(3)

其中，ρp、dp、μ、Dh、U分別為粒子密度、粒子直徑、循環(huán)工質(zhì)動(dòng)力黏度、通道的水力直徑和通道內(nèi)流速。經(jīng)計(jì)算，棒束通道內(nèi)示蹤粒子的斯托克斯數(shù)為0.000 6，遠(yuǎn)小于1，說(shuō)明該粒子對(duì)棒束通道內(nèi)流場(chǎng)具有良好的跟蹤效果。

PIV后處理程序?yàn)長(zhǎng)aVision公司的二維PIV處理軟件Davis，互相關(guān)計(jì)算窗口為16 pixel×16 pixel，窗口內(nèi)的粒子數(shù)量為5～10個(gè)，相鄰圖像的粒子位移為7.8 pixel，重疊窗口為0.5，對(duì)應(yīng)實(shí)際分辨率為0.52 mm×0.52 mm。攝影儀的拍攝速度為4 000幀/s，粒子的橫向位移小于激光平面的25%，這樣的條件可確?；ハ嚓P(guān)的準(zhǔn)確進(jìn)行。在應(yīng)用PIV技術(shù)測(cè)量流速的過(guò)程中，測(cè)量誤差主要來(lái)源于標(biāo)定誤差、圖像匹配誤差、粒子位移誤差、時(shí)間誤差等，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中誤差來(lái)源是相互獨(dú)立、互不影響的。棒束通道內(nèi)速度測(cè)量不確定度參照日本可視化協(xié)會(huì)計(jì)算方法[18]，速度誤差uc的計(jì)算公式為：

uc=

(4)

式中：u為粒子速度；M為采集圖像和實(shí)際物體的放大倍數(shù)；X為后處理中識(shí)別粒子位移；Δt為兩幀圖像之間的時(shí)間差；δu為粒子速度與流體速度誤差。

表2列出棒束通道內(nèi)主流速為1 000 mm/s時(shí)對(duì)應(yīng)的主要誤差貢獻(xiàn)，速度測(cè)量總不確定度為6.9%。

表2 PIV不確定度評(píng)估Table 2 PIV uncertainty analysis

3 流場(chǎng)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，針對(duì)定位格架的攪混特性研究，應(yīng)用PIV技術(shù)測(cè)量帶定位格架以及不帶定位格架棒束通道內(nèi)A截面和B截面流場(chǎng)分布(圖4)；針對(duì)定位格架在不同流速條件下的流體攪混性能，開(kāi)展棒束通道內(nèi)流速為500 mm/s和1 000 mm/s的流場(chǎng)測(cè)量。另外，通過(guò)改變棒束通道內(nèi)定位格架之間的間距，分析不同間距(210、240、260 mm)下定位格架對(duì)棒束通道內(nèi)流場(chǎng)的作用規(guī)律。

圖4 測(cè)量平面Fig.4 Measuring plane

3.2 格架上下游速度分布

為直觀展示定位格架對(duì)棒束通道內(nèi)流場(chǎng)的攪混作用，開(kāi)展了定位格架上下游以及不帶格架棒束通道相應(yīng)位置的流場(chǎng)測(cè)量，并獲得了流場(chǎng)的信息。

圖5為不帶定位格架以及帶定位格架的棒束通道內(nèi)流場(chǎng)分布。原格架上、下游位置的橫向速度(u)和縱向速度(v)如圖6所示。

由圖6發(fā)現(xiàn)，原定位格架位置處上、下游的速度分布差異較小。棒束通道內(nèi)橫向速度較低，幾乎為軸向速度的1/100，說(shuō)明棒束通道內(nèi)流體的橫向運(yùn)動(dòng)很小，且棒束通道內(nèi)的橫向速度在沿程無(wú)明顯變化。棒束通道內(nèi)軸向速度較高，在子通道內(nèi)基本呈現(xiàn)出子通道中心處軸向速度較大、子通道邊緣軸向速度較低，主要是因?yàn)樽油ǖ肋吘壈糸g隙較小，流體與棒束壁面之間的黏性作用對(duì)流體阻力作用更加明顯，導(dǎo)致該區(qū)域流速較低。由于不帶定位格架棒束通道內(nèi)橫向速度較小，導(dǎo)致各子通道之間流體能量交換較低，即流體之間的攪混能力較弱。

圖7為棒束通道內(nèi)單一子通道幾何結(jié)構(gòu)，子通道中心為4根棒組成流道的中心位置，子通道邊緣為相鄰兩根棒的間隙。

圖5 棒束通道的流場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of flow field in rod bundle

圖6 不帶定位格架棒束通道內(nèi)速度分布Fig.6 Velocity distribution in rod bundle without spacer grid

圖7 子通道幾何結(jié)構(gòu)Fig.7 Geometry of sub-channel

棒束通道內(nèi)平均流速為1 000 mm/s(Re=10 400)時(shí)，對(duì)應(yīng)圖6中子通道邊緣和子通道中心處的速度相差約180 mm/s，為主流速度的18%；棒束通道內(nèi)平均流速為500 mm/s(Re=5 200)時(shí)，子通道中心和邊緣的速度相差約80 mm/s，為主流速度的16%；棒束通道內(nèi)平均流速為150 mm/s(Re=1 700)時(shí)，子通道中心和邊緣的速度相差約50 mm/s，為主流速度的30%。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因是子通道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)主要受慣性力和壁面黏滯力共同作用，慣性力和黏滯力分別對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)程度是導(dǎo)致子通道中心和邊緣速度分布不均的直接原因。低流速時(shí)，黏滯力對(duì)流體作用明顯，對(duì)壁面附近流體的阻礙作用明顯，導(dǎo)致子通道內(nèi)速度分布差異明顯；高流速時(shí)，黏滯力相比慣性力對(duì)流體的貢獻(xiàn)弱，黏滯力對(duì)流體的阻礙作用被削弱，因此子通道內(nèi)速度差異相對(duì)較小。

從圖5b可發(fā)現(xiàn)，定位格架上游流場(chǎng)直觀展示出流速分布相對(duì)均勻，子通道之間的速度梯度較小，流體之間的攪混能力較弱；定位格架下游流場(chǎng)直觀展示了定位格架對(duì)下游流場(chǎng)的攪混性能，上游均勻流體經(jīng)過(guò)定位格架后局部流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生明顯的變化，且相鄰子通道之間的速度梯度明顯增大。流體的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，主要是因?yàn)槎ㄎ桓窦苌系臄嚮煲砀淖兞肆黧w運(yùn)動(dòng)方向，導(dǎo)致平行于攪混翼方向的流速相比于其他位置較高。

截面A定位格架上下游速度分布示于圖8?？砂l(fā)現(xiàn)，定位格架上游兩個(gè)位置橫向速度分布差異較小，即在定位格架上游附近橫向速度衰減較慢；同樣上游兩個(gè)位置軸向速度分布差異也較小，且水平方向上軸向速度波動(dòng)幅值較小，因此說(shuō)明定位格架上游的流體之間攪混較弱，速度分布相對(duì)較均勻。經(jīng)過(guò)定位格架后橫向速度明顯增大，定位格架下游20 mm處的橫向位置上縱向速度波動(dòng)明顯增大，說(shuō)明在定位格架攪混作用下流體之間的動(dòng)量攪混更加明顯；流體向下游運(yùn)動(dòng)時(shí)橫向速度幅值衰減明顯，軸向速度在水平方向的波動(dòng)也減小。相比光棒子通道內(nèi)的速度分布，除定位格架出口附近由于流道面積變化導(dǎo)致流速分布不均外，定位格架下游黏滯作用對(duì)子通道內(nèi)速度分布的影響較小，子通道內(nèi)速度差異基本控制在10%以內(nèi)。

圖9為截面B定位格架上下游的速度分布，整體分布趨勢(shì)與截面A內(nèi)的速度分布基本相同，但在細(xì)節(jié)位置上的分布還存在一定的差異，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)截面的攪混翼等阻力件的布置方式出現(xiàn)差異，進(jìn)而導(dǎo)致不同位置的速度分布差異。

3.3 流速影響

為分析定位格架在不同流速下對(duì)流體的攪混作用，開(kāi)展了棒束通道內(nèi)流速(U)為500 mm/s(Re=5 200)和1 000 mm/s(Re=10 400)條件下定位格架下游流場(chǎng)的測(cè)量，并分別提取橫向速度與軸向速度的絕對(duì)平均值，此時(shí)棒束通道流場(chǎng)處于非層流條件下，無(wú)量綱化橫縱速度為u/U、v/U，如圖10所示。在兩種流速下棒束通道內(nèi)無(wú)量綱橫向速度沿程分布趨勢(shì)基本無(wú)明顯變化，在格架下游0～30 mm橫向速度增加，到峰值后逐漸減??；然而1 000 mm/s流速工況下無(wú)量綱橫向速度明顯大于500 mm/s條件下無(wú)量綱橫向速度，說(shuō)明高流速能促進(jìn)橫向速度的產(chǎn)生，促進(jìn)幅值約為0.02。通過(guò)圖10發(fā)現(xiàn)，無(wú)量綱軸向速度與無(wú)量綱橫向速度幅值分布相反，1 000 mm/s流速條件下定位格架下游無(wú)量綱軸向速度較500 mm/s流速條件下小0.02，主要是因?yàn)槎ㄎ桓窦軐?duì)流體的阻力作用隨流速的增加更加明顯。

圖8 截面A定位格架上下游速度分布Fig.8 Velocity distribution upstream and downstream spacer grid in plane A

圖9 截面B定位格架上下游速度分布Fig.9 Velocity distribution upstream and downstream spacer grid in plane B

3.4 湍流統(tǒng)計(jì)

為直觀展示定位格架下游流場(chǎng)的湍流特性，采用橫向、軸向速度均方根(RMS)來(lái)評(píng)價(jià)定位格架下游的速度波動(dòng)特點(diǎn)，計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

其中：URMS(x,y)為橫向速度均方根；VRMS(x,y)為軸向速度均方根；ui(x,y)、vi(x,y)為某一時(shí)刻某一位置內(nèi)的速度；U(x,y)、V(x,y)為該位置一段時(shí)間平均速度。

圖11為測(cè)量平面A和B的速度均方根分布云圖?？煽闯觯ㄎ桓窦芟掠胃浇鼨M向、軸向速度均方根較大，表明定位格架導(dǎo)致流體速度波動(dòng)增大；軸向速度均方根較橫向速度均方根大，主要是因?yàn)槎ㄎ桓窦軐?duì)軸向速度阻礙作用明顯，流體經(jīng)過(guò)定位格架，流道面積發(fā)生明顯變化，局部位置會(huì)出現(xiàn)射流現(xiàn)象，導(dǎo)致下游軸向速度的波動(dòng)較大。

圖12為不同格架間距(210、240、260 mm)下定位格架下游橫向速度和軸向速度均方根的沿程分布。由圖12可知，不同間距條件下定位格架對(duì)下游流場(chǎng)的影響不明顯，橫向速度的波動(dòng)經(jīng)過(guò)定位格架后迅速衰減，到下游約150 mm處趨于平緩；軸向速度波動(dòng)變化規(guī)律基本相同，經(jīng)過(guò)定位格架后波動(dòng)明顯衰減，直到約40 mm后，才趨于平緩。

圖10 不同流速下橫向、軸向速度沿程變化Fig.10 Streamwise development of lateral velocity and longitudinal velocity under different main flows

圖11 定位格架下游速度均方根分布Fig.11 RMS distribution of velocity downstream spacer grid

圖12 橫向、軸向速度均方根變化Fig.12 RMS distribution of lateral velocity and longitudinal velocity

4 結(jié)論

應(yīng)用PIV技術(shù)在常溫常壓條件下實(shí)現(xiàn)了棒束通道復(fù)雜流場(chǎng)信息測(cè)量，測(cè)量結(jié)果直觀展現(xiàn)了棒束通道定位格架對(duì)流場(chǎng)的攪混性能。對(duì)比分析了有無(wú)格架棒束通道內(nèi)流場(chǎng)在常溫常壓下的分布特征，定量分析了定位格架在低參數(shù)下對(duì)棒束通道流場(chǎng)攪混的貢獻(xiàn)程度。

1) 光棒子通道內(nèi)子通道邊緣與中心的速度差異在層流與湍流條件下表現(xiàn)出明顯的區(qū)別；定位格架攪混特性改變了棒束通道內(nèi)速度分布特征，減小了子通道內(nèi)速度幅值上的差異。

2) 高流速下定位格架對(duì)橫向流速起促進(jìn)作用，對(duì)軸向速度的阻礙作用明顯增加；反之，低流速條件下定位格架不利于橫向速度產(chǎn)生，對(duì)軸向速度的抑制作用相比高流速較弱。

3) 軸向速度波動(dòng)較橫向速度波動(dòng)明顯，且橫向速度在定位格架下游150 mm處衰減趨于平緩，軸向速度在定位格架下游40 mm以后衰減趨于平緩。