棒束通道內(nèi)溫度場分布特性研究

米爭鵬，譚思超，鄒思遠(yuǎn)，邱志方，朱大歡，張 丹，鄧 堅，蔡 容,吳菱艷

(1.中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610213；2.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

隨著陸上核電站及海上核設(shè)施的大力發(fā)展，對當(dāng)前核技術(shù)和核安全水平提出了更高的要求，特別是海上核動力設(shè)施，面臨著更加惡劣的運(yùn)行環(huán)境，更需要明確核設(shè)施運(yùn)行特性與海洋條件之間的耦合效應(yīng)，準(zhǔn)確把握核設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)，保證海上核設(shè)施的安全運(yùn)行。流動不穩(wěn)定性對反應(yīng)堆安全提出了更高的要求[1]，如海洋條件影響、主泵轉(zhuǎn)速的變化等都會引起反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑的流量波動，而脈動流是一種實驗研究中常見到的典型流動不穩(wěn)定性現(xiàn)象[2-4]，本文就穩(wěn)態(tài)流和脈動流下棒束通道內(nèi)溫度分布進(jìn)行研究。

目前，數(shù)值計算方法是核反應(yīng)堆系統(tǒng)特性研究的重要手段，涵蓋了反應(yīng)堆冷卻劑熱工水力特性、系統(tǒng)運(yùn)行特性以及事故工況下安全特性等方面的研究[5-8]。同時眾多學(xué)者也開展了對反應(yīng)堆系統(tǒng)參數(shù)等方面的實驗研究，包括對溫度、壓力、流速等參數(shù)的測量。可視化技術(shù)的出現(xiàn)，突破了結(jié)構(gòu)限制測量的局限性，可實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)流場、溫度場的準(zhǔn)確、無擾測量，同時該技術(shù)響應(yīng)時間短，能實時顯示測量結(jié)果，對掌握熱工水力現(xiàn)象機(jī)理、評估結(jié)構(gòu)設(shè)計性能有重要作用。本文將采用可視化實驗技術(shù)——激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)[9]對棒束通道溫度場進(jìn)行測量。

LIF技術(shù)的原理是：染色劑分子在吸收到一定能量的激光后，會發(fā)生躍遷-退激過程，在退激過程會發(fā)射出特定波長的熒光，以此來進(jìn)行溫度、濃度的實時反饋。目前LIF技術(shù)在濃度、溫度分布的全場測量方面體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，相關(guān)學(xué)者采用該技術(shù)對射流流場濃度分布、矩形通道溫度分布等進(jìn)行了研究[10-11]。但由于LIF技術(shù)對實驗回路布置、光學(xué)系統(tǒng)以及后處理技術(shù)有較高的要求，因此對復(fù)雜通道的測量難度較大，需要解決的難點(diǎn)較多[12]，因此本文擬對LIF技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析研究，探索出一套適用于LIF技術(shù)測量復(fù)雜結(jié)構(gòu)溫度場分布的技術(shù)方案，并對棒束通道溫度場進(jìn)行測量，獲得不同流動條件下的溫度分布。

1 實驗系統(tǒng)

實驗在哈爾濱工程大學(xué)搭建的實驗系統(tǒng)上進(jìn)行[13]，實驗回路示意圖如圖1所示。實驗回路包括循環(huán)水箱、離心泵、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、過濾器及棒束實驗段。實驗過程分為標(biāo)定和測量兩部分，需要獲得溫度與熒光強(qiáng)度的擬合曲線，并利用該曲線對加熱工況下溫度分析進(jìn)行反饋。實驗中采用2臺高速攝影儀實時獲取溫度分布數(shù)據(jù)，在每臺攝影儀前放置不同波長范圍的濾光片，采集不同的熒光段，保證能進(jìn)行比值處理，提高溫度敏感性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實驗本體橫截面示于圖2，棒直徑為9.5 mm，棒間距為12.6 mm，當(dāng)量直徑Dh為9.6 mm，加熱棒選用不銹鋼棒，長度與棒束相同，采用直流電源加熱，非加熱棒采用與水折射率相近的FEP材料，其折射率為1.338(水的折射率為1.333)，可減少折射導(dǎo)致的圖像畸變現(xiàn)象。本研究中，加熱形式分別采用單根棒加熱和單排棒加熱(圖2)，實驗環(huán)境為常溫常壓，其中入口溫度約為25 ℃，熱流密度約為219 kW/m2，流量為0.7～3.8 m3/h，單根棒加熱時，加熱棒位于中間位置。通過高速攝影儀獲得截面處的溫度分布。實驗中布置3個定位格架，間隔約24 cm，為保證消除入口效應(yīng)，第1個格架布置于距入口約40 cm處，數(shù)據(jù)獲取在第3個定位格架下游。流量的變化由泵控系統(tǒng)控制，通過改變泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)流量的改變。

圖1 實驗回路示意圖Fig.1 Schematic of test loop

圖2 系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of system

2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

LIF技術(shù)屬于高精度測量，其測量的準(zhǔn)確性、后處理的準(zhǔn)確性都對結(jié)果有很大的影響。本文針對光學(xué)特性、示蹤染色劑特性以及后處理技術(shù)等方面，分析其影響因素，并提出改進(jìn)方法。

1) 光學(xué)特性

激光診斷技術(shù)對光學(xué)回路的要求較高，一方面保證激光片光源能穿過棒束通道，防止激光照射到棒束上，影響實驗測量，另一方面，要保證穩(wěn)定的激光特性，選擇合適的激光強(qiáng)度，從而產(chǎn)生足夠的熒光強(qiáng)度，但過大的熒光強(qiáng)度會產(chǎn)生光漂白作用，影響染色劑特性。經(jīng)驗證，6 800～8 300 W/m2是本實驗合適的激光強(qiáng)度，同時要保證空間上光強(qiáng)分布均勻、時間上光強(qiáng)保持恒定，從設(shè)備、處理方法上有效消除激光的高斯分布和沿程損失，另外，外界環(huán)境也會影響激光的穩(wěn)定性，要避免強(qiáng)光、震動等的外界干擾。欲保證實驗獲得的熒光強(qiáng)度由染色劑產(chǎn)生，還需要使用濾光片，濾光片的選擇要避開激光的光強(qiáng)范圍，僅使得相應(yīng)波長范圍內(nèi)的熒光能通過。

2) 示蹤染色劑特性

示蹤染色劑的特性是LIF技術(shù)的關(guān)鍵，合理地選擇示蹤染色劑，可保證實驗的成功、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。首先，要保證示蹤染色劑有良好的光學(xué)特性，包括光強(qiáng)特性、光敏感特性，特別是要匹配激光波長范圍與示蹤染色劑可吸收波長范圍，這樣當(dāng)激光照射流場內(nèi)后，反射出的激光才能被捕捉。其次，要保證示蹤染色劑穩(wěn)定性，在長時間激光照射情況下，保證反射的熒光強(qiáng)度保持不變。本文采用羅丹明B(Rhb)和Fl27兩種染色劑，并針對兩種染色劑的穩(wěn)定性、溫度敏感性、最佳實驗濃度等進(jìn)行了分析，結(jié)果列于表1。表1表明，這兩種染色劑具有較好的光學(xué)效果，與激光波長范圍匹配，具有較大的熒光光強(qiáng)。

表1 染色劑特性Table 1 Characteristics of fluorescent dye

3) 后處理技術(shù)

通過LIF技術(shù)獲得的實驗數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行后處理才能保證真實反映溫度分布，整個后處理過程包含匹配-降噪-標(biāo)定-重構(gòu)4個步驟。在實驗測量過程中，2臺高速攝影儀拍攝的圖像會存在視角、尺寸的不同，因此需進(jìn)行圖像匹配，即構(gòu)建一系列空間變換技術(shù)-投影變換，建立有效的匹配算法，將同一時刻圖像進(jìn)行匹配，如式(1)[14]所示；降噪過程要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，消除奇點(diǎn)，由于棒束結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用式(2)的計算方法，既能減少背景光的干擾、降低噪聲影響，同時也能增強(qiáng)溫度敏感性，此時溫度敏感性能達(dá)到2.5%/℃；在標(biāo)定和重構(gòu)中均采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式，針對圖像中的每個像素點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，再利用這些曲線去求解加熱工況中的溫度分布，采用該方法可有效消除激光的高斯分布及沿程損失的影響，保證獲得擬合效果較好的曲線，本實驗中擬合曲線的殘差分布基本在±5%以內(nèi)。

I2(x,y)=G(I1(H(x,y)))

(1)

其中：I1(x,y)和I2(x,y)為坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)處的灰度；G為灰度變換；H(x,y)為某種形式的空間坐標(biāo)變換，即(x′,y′)=H(x,y)。

(2)

其中：C(t)為后處理結(jié)果；Ci(Rhb)、Ca(Rhb)分別為羅丹明B的實驗測量值和背景值；Ci(Fl27)、Ca(Fl27)分別為Fl27的實驗測量值和背景值。

3 實驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

3.1 穩(wěn)態(tài)流溫度分布

采用LIF技術(shù)獲得不同流動工況下的實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過后處理技術(shù)加工，進(jìn)而可直觀展現(xiàn)定位格架下游的溫度分布，如圖3所示。由于加熱棒1位于棒束中間位置，從圖3可明顯看出，棒束通道中間位置處溫度相對較高，兩側(cè)沒有加熱棒，溫度相對較低，單根棒加熱時，靠近加熱棒的通道位置，會出現(xiàn)明顯的熱流體團(tuán)上升現(xiàn)象，如圖3a中標(biāo)記處。流體在加熱棒附近被加熱，溫度變化導(dǎo)致密度變化，LIF技術(shù)可直觀地展示熱流體團(tuán)的變化情況。單排棒加熱時，可觀察到在中間位置處，溫度仍是最高的，兩側(cè)相對較低，且能看到明顯的溫度變化趨勢，這主要是由定位格架的攪混作用引起的，而且在靠近定位格架的一定范圍內(nèi)，冷熱流體之間能充分混合，隨著高度的增加，靠近加熱棒位置處的流體被加熱，攪混作用減弱，流體溫度逐漸升高。

3.2 脈動流溫度分布

對脈動流下瞬態(tài)溫度分布特性進(jìn)行測量，分析流量波動和定位格架共同作用下棒束通道內(nèi)溫度的分布情況。實驗中脈動流流量采用正弦波動，流量中值為0.7 m3/h，脈動周期t0分別選取5、8、10 s，波動幅值γ為0.3，通過對高速攝影儀獲取的圖像進(jìn)行處理，即可獲得不同工況下的溫度分布云圖，如圖4、5所示，圖中T0表示實驗初始時刻。

圖3 穩(wěn)態(tài)流下溫度分布Fig.3 Temperature distribution of steady flow

圖4 t0=5 s、γ=0.3時脈動流下溫度分布Fig.4 Temperature distribution of fluctuating flow at t0=5 s and γ=0.3

圖5 t0=8 s、γ=0.3時脈動流下一周期內(nèi)溫度分布Fig.5 Temperature distribution of fluctuating flow at t0=8 s and γ=0.3

從圖4可看出，脈動流工況下的溫度分布基本與穩(wěn)態(tài)流時的類似，由于圖4屬于瞬態(tài)下溫度分布云圖，與穩(wěn)態(tài)時均下溫度分布云圖相比，受到渦流、橫流等流動不穩(wěn)定性的影響，溫度波動和變化趨勢更清楚地顯示出來。從圖4、5所示溫度分布云圖可看到溫度隨流量波動的變化，特別是在中間區(qū)域，這種變化主要是受脈動流量的影響，使溫度出現(xiàn)周期性波動。在穩(wěn)態(tài)條件下，棒束通道內(nèi)溫度分布主要受定位格架的影響，在非穩(wěn)態(tài)條件下，受到脈動流的影響，棒束通道內(nèi)流體出現(xiàn)加減速變換，破壞了流動邊界層，使得熱擴(kuò)散加劇，在流速波動和攪混作用下，溫度分布的變化趨勢更明顯。

3.3 溫度分布特性

對于棒束通道內(nèi)的溫度分布特性，可從時均化和瞬態(tài)的角度出發(fā)，以溫度波動來評價定位格架的攪混作用、流量波動及加熱使得棒束通道內(nèi)流體的溫度隨時間波動，同時考慮溫度均值和瞬時溫度分布信息，提出了棒束通道內(nèi)溫度波動的計算公式：

(3)

(4)

不同高度處的溫度波動示于圖6。從圖6可見，穩(wěn)態(tài)流和脈動流下溫度波動變化存在明顯不同。對于穩(wěn)態(tài)流，在棒束通道徑向不同位置處，溫度波動的變化相對較小，而在脈動流時，溫度的波動存在很大差異，在中間加熱棒位置處，溫度波動較大，且脈動周期越長，溫度波動越大。對比定位格架下游3Dh和7Dh處的溫度波動，特別是脈動流下，靠近格架位置處的波動較大，且相同高度處的溫度波動差別也較大。棒束通道內(nèi)定位格架的攪混作用使得穩(wěn)態(tài)流下溫度波動存在差異，而脈動流的周期性流動和攪混作用的疊加，會增加通道內(nèi)溫度波動，因此會使脈動流下溫度波動變大。脈動周期較大，導(dǎo)致波動持續(xù)時間長，溫度波動值也隨之變大。這主要是由于攪混作用和流量脈動的影響，破壞了流動邊界層，進(jìn)而加強(qiáng)了棒束通道內(nèi)的流動換熱。

圖6 不同高度處溫度波動Fig.6 Temperature fluctuation of different heights

圖7為棒束通道中間位置不同流動工況下的溫度波動。從圖7可看出，穩(wěn)態(tài)流和脈動流下溫度波動趨勢基本類似。穩(wěn)態(tài)流時，在靠近格架處，溫度波動數(shù)值呈增長趨勢，約在格架下游(3～4)Dh處達(dá)到最大值，之后逐漸降低，降幅較小，且在棒束間隙和子通道內(nèi)溫度波動也基本類似。脈動流時，在靠近格架處，溫度波動也會呈增長趨勢，最大值更靠近格架，約在(2～3)Dh處，遠(yuǎn)離格架時，也會出現(xiàn)溫度波動。這主要是由于攪混翼會產(chǎn)生橫向流動和湍流脈動，而脈動流主要會產(chǎn)生沿軸向方向的流動作用，在靠近格架時，會產(chǎn)生兩種作用的疊加效應(yīng)，使得溫度波動較穩(wěn)態(tài)流時大，且溫度波動峰值更靠近格架。在遠(yuǎn)離格架的位置，格架的攪混能力減弱，而脈動流的作用仍存在，使得下游的溫度波動會存在起伏。穩(wěn)態(tài)流時，溫度波動主要受定位格架攪混效應(yīng)和熱驅(qū)動的影響，因此溫度波動的變化趨勢很規(guī)律，而脈動流時，定位格架攪混效應(yīng)與流量變化的疊加會導(dǎo)致溫度波動變大，且在遠(yuǎn)離格架時，流量波動的影響仍存在。

圖7 中間棒束間隙處溫度波動Fig.7 Temperature fluctuation at middle channel

結(jié)合定位格架在該截面處的攪混翼分布對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析，攪混翼分布如圖8所示，該截面處定位格架有2個朝向右側(cè)的攪混翼，1個朝向左側(cè)的攪混翼，導(dǎo)致出現(xiàn)圖3所示的溫度分布，同時由于棒2位置處溫度相對較高，2個攪混翼斜對稱布置，增加了其攪混能力，熱量能及時被帶走，而棒1和棒3位置處的攪混翼，增加了橫向流動，也能及時將加熱棒產(chǎn)生的熱量傳遞給流體，因此會出現(xiàn)圖6所示的溫度波動分布。

圖8 攪混翼示意圖Fig.8 Schematic of mixing vane

4 結(jié)論與展望

本文采用LIF技術(shù)對棒束通道內(nèi)穩(wěn)態(tài)流和脈動流下溫度分布特性進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論。

1) 通過對系統(tǒng)光學(xué)特性、染色劑特性、后處理技術(shù)的評價與優(yōu)化，得到了LIF技術(shù)在溫度場測量時所需的關(guān)鍵參數(shù)。

2) 獲得了穩(wěn)態(tài)流和脈動流下棒束通道內(nèi)溫度分布情況，采用溫度波動因子，對溫度分布特性的影響進(jìn)行了評價，穩(wěn)態(tài)流時，溫度波動約在格架下游(3～4)Dh處達(dá)到最大值，之后會逐漸降低，脈動流時，溫度波動約在(2～3)Dh處達(dá)到最大值，遠(yuǎn)離格架時，溫度波動也會出現(xiàn)明顯變化。

3) 結(jié)合定位格架上攪混翼的分布，對溫度分布進(jìn)行了分析，有助于對定位格架性能的評價。