液態(tài)金屬局部流速測(cè)量技術(shù)對(duì)比研究

肖輝，劉志春，王蘇豪，張顯均，蘭治科，卓文彬，王盛

(1．中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213；2．華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略要求電力系統(tǒng)供給側(cè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，以生產(chǎn)穩(wěn)定清潔的電力。核電生產(chǎn)過(guò)程近零排放，可提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)負(fù)荷供給，也可參與電力系統(tǒng)調(diào)峰，是國(guó)家發(fā)展清潔能源的較好兜底手段。在采用可再生能源結(jié)合儲(chǔ)能的方式[1]提高電力生產(chǎn)過(guò)程清潔性的同時(shí)，增加核能比例可進(jìn)一步平衡國(guó)家能源結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)電力系統(tǒng)能源供給的穩(wěn)定性。高溫液態(tài)金屬工質(zhì)沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)行溫度、自然循環(huán)流速高、安全性好，在能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其是第四代核反應(yīng)堆系統(tǒng)中，逐漸受到關(guān)注。特別是液態(tài)鉛基金屬，不僅可用于第四代核能系統(tǒng)，還可用于加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、核聚變系統(tǒng)[2]，具有較好的應(yīng)用前景。

液態(tài)金屬的流場(chǎng)分布直接影響到流動(dòng)特性、傳熱特性、氧濃度分布、材料腐蝕及沖刷振動(dòng)性能。流場(chǎng)測(cè)量研究對(duì)于反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器、燃料組件、堆池腔室等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較重要，有助于提升系統(tǒng)的安全性能。此外，用于預(yù)測(cè)流場(chǎng)分布的低普朗特?cái)?shù)流體湍流傳熱模型，也需要得到高精度的流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。因此，開(kāi)展反應(yīng)堆內(nèi)部流場(chǎng)分布研究是反應(yīng)堆設(shè)計(jì)及運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，而流場(chǎng)分布研究的前提是獲得局部流速。

流量也是能源系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)。常見(jiàn)的流量計(jì)中用于液態(tài)金屬流量測(cè)量的儀器有科里奧利力流量計(jì)、文丘里流量計(jì)和渦街流量計(jì)。這些流量計(jì)尺寸較大，對(duì)流動(dòng)干擾較大，不適用浸沒(méi)于堆池內(nèi)測(cè)量流量。較好的解決方案是獲取局部流速分布，再以此推演得到流量。

高溫液態(tài)金屬具有高溫、不透明、腐蝕性強(qiáng)等特性，其流場(chǎng)測(cè)量一直是國(guó)際上研究的難點(diǎn)。在過(guò)去幾十年里，研究者對(duì)液態(tài)金屬流速測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了少量探索及分析[3-5]。前人的研究主要介紹部分測(cè)量技術(shù)的原理及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不同技術(shù)對(duì)比簡(jiǎn)略，對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)的應(yīng)用介紹較少，缺乏相關(guān)研究的詳細(xì)綜述。因此，本文分析近年來(lái)用于液態(tài)金屬流速測(cè)量的主要技術(shù)，對(duì)比不同技術(shù)的特點(diǎn)，推薦反應(yīng)堆內(nèi)典型位置的測(cè)量技術(shù)，為液態(tài)金屬運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇合適的流速測(cè)量方法提供參考。

1 技術(shù)原理與應(yīng)用

當(dāng)前主要的液態(tài)金屬局部流速測(cè)量方法有皮托管法、卡門(mén)渦街法、電勢(shì)探針?lè)?、永磁探針?lè)ā峋€(xiàn)儀法、時(shí)間過(guò)渡法、機(jī)械位移法、超聲多普勒法、電磁感應(yīng)成像法、洛倫茲力法，以及中子照相法。

1.1 皮托管法

皮托管法基于伯努利定律，通過(guò)測(cè)量動(dòng)壓孔和靜壓孔壓差以獲得局部速度，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。通過(guò)將探頭尺寸小型化，并在孔口處安裝熱電偶，實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量局部速度大小和溫度分布。SCHULENBERG等[6]在THESYS回路上利用皮托管獲得了管內(nèi)鉛鉍流速分布，該皮托管壓力傳感器分辨率達(dá)到12.5 Pa，探頭尺寸5 mm，速度分辨率約5 mm/s。PACIO等[7]采用可移動(dòng)皮托管測(cè)量了鉛鉍流速分布，該皮托管內(nèi)徑小至2 mm，速度測(cè)量范圍為0.1～0.3 m/s。

(a)皮托管實(shí)物

(b)皮托管安裝

1.2 卡門(mén)渦街法

當(dāng)流體繞流細(xì)長(zhǎng)圓柱體時(shí)，背風(fēng)面邊界層分離導(dǎo)致圓柱體后面會(huì)出現(xiàn)卡門(mén)渦街，渦街衰減頻率與流體速度有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，流速與衰減頻率近似呈線(xiàn)性關(guān)系，且衰減頻率幾乎等于圓柱體振動(dòng)頻率?？ㄩT(mén)渦街探針如圖2所示，主要部件包括圓柱形探頭、支撐桿、動(dòng)態(tài)壓力計(jì)和電橋。IGUCHI等[8]通過(guò)測(cè)量卡門(mén)渦街探針振動(dòng)頻率以計(jì)算液體的流速，分別獲得了液態(tài)伍德合金和液態(tài)鐵的流速。采用探針?biāo)χ睆郊s6 mm，測(cè)量最大流速可達(dá)到0.8 m/s，最小流速可達(dá)到0.05 m/s[9]。

(a)卡門(mén)渦街探針實(shí)物

(b)卡門(mén)渦街探針安裝

1.3 電勢(shì)探針?lè)?/h3>

電勢(shì)探針如圖3所示，在給定磁場(chǎng)下，導(dǎo)電流體流速方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，探針除針尖外的其余部分與流體保持絕緣，測(cè)量流體電勢(shì)差則可反推流速信息[10]。CHOWDHURY等[11]通過(guò)電勢(shì)探針測(cè)量了磁場(chǎng)下液態(tài)金屬GaInSn的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)流速分布，結(jié)果與理論分析吻合良好，表明該方法時(shí)間響應(yīng)較快、分辨率較高。然而，NI等[12]數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)電勢(shì)探針?lè)y以測(cè)量三維流場(chǎng)，毫伏級(jí)電壓信號(hào)易受外部電磁、探針接觸電阻等干擾。

(a)電勢(shì)探針實(shí)物

(b)電勢(shì)探針安裝

1.4 永磁/電磁探針

永磁/電磁探針如圖4所示，探頭內(nèi)安裝有永磁/電磁鐵，流體流過(guò)探針時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)可以計(jì)算流速。微型磁鐵與流速方向垂直，磁鐵槽內(nèi)可安裝熱電偶，并一起集成于不銹鋼套管。RICOUD和VIVES[15]研制了永磁探針，測(cè)量了常溫汞和高溫鋁液流場(chǎng)，測(cè)量范圍可達(dá)0～10 m/s，靈敏度達(dá)到1 mm/s。KAPULLA等[13]在2000年研制了外徑為2.5 mm的微型永磁探頭，校準(zhǔn)并在溫度梯度較高的液態(tài)鈉中開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)。在2021年，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院SCHAUB等[16]將熱電偶植入傳感器內(nèi)，同時(shí)測(cè)量了流速和溫度。日本原子能機(jī)構(gòu)(JAEA)ARIYOSHI等[14]研制了輸出信號(hào)和速度具有較好線(xiàn)性關(guān)系的電磁探針，校準(zhǔn)并測(cè)量了420℃的鉛鉍流速。

(a)永磁探針實(shí)物

(b)電磁探針實(shí)物

1.5 熱線(xiàn)探針?lè)?/h3>

流體流過(guò)加熱金屬絲帶走的熱量與流速相關(guān)，通過(guò)測(cè)量金屬絲溫度可以獲得流速。對(duì)于液態(tài)金屬，REED等[17]發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散傳熱和對(duì)流傳熱比值較大，導(dǎo)致熱線(xiàn)探針?lè)ㄔ谝簯B(tài)金屬中的靈敏度低于在水和空氣中，分辨率難以達(dá)到1 mm/s。此外，熱線(xiàn)信號(hào)還受到潤(rùn)濕、雜質(zhì)沉積等表面條件改變的影響[18]，液態(tài)金屬內(nèi)雜質(zhì)和氧化產(chǎn)物沉積在熱線(xiàn)上會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱性能改變。在熱線(xiàn)上鍍石英、金屬釩，可降低雜質(zhì)沉積的影響，傳熱變化率可低于2.5%[19]。GARDNER和LYKOUDIS[20]采用了多種熱線(xiàn)探頭測(cè)量汞流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在300 h后測(cè)量結(jié)果仍能夠保持。

1.6 時(shí)間過(guò)渡法

時(shí)間過(guò)渡法測(cè)速如圖5所示，典型代表有溫度脈沖法、尾跡法及溶解法，主要通過(guò)在流體內(nèi)施加熱源或質(zhì)量源，測(cè)量傳遞時(shí)間以獲得流速[18]。溫度脈沖法不會(huì)引入外部雜質(zhì)，通過(guò)測(cè)量溫度脈沖在加熱棒與熱電偶或多個(gè)熱電偶之間的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算流速。這種測(cè)量方法在水、鈉鉀液態(tài)金屬中均可行，但在金屬中測(cè)量的分辨率較低，而且加熱棒附近需安裝較多熱電偶，產(chǎn)生較大流體擾動(dòng)。尾跡法和溶解法需外加質(zhì)量源，測(cè)量濃度分布以獲得流速，但是需要引入雜質(zhì)，較難應(yīng)用于反應(yīng)堆及其實(shí)驗(yàn)。

(a)時(shí)間過(guò)渡法原理 (b)時(shí)間過(guò)渡法安裝

1.7 機(jī)械位移法

流體沖擊機(jī)械探針時(shí)，探針產(chǎn)生彈性變形，利用光學(xué)系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)可檢測(cè)探針位移變化，然后通過(guò)軟件分析位移變化可獲得流速，如圖6所示。2000年，ECKERT等[21]研制了機(jī)械光學(xué)探針，測(cè)量了常溫GaInSn、350℃鉛鉍等介質(zhì)的流速。CRAMER等[22]測(cè)量了旋轉(zhuǎn)GaInSn的流場(chǎng)，結(jié)果與數(shù)值模擬吻合良好。當(dāng)機(jī)械光學(xué)探針材料采用石英玻璃時(shí)，可應(yīng)用到800℃高溫環(huán)境。該探針直徑可小至50 μm，長(zhǎng)度為10～50 mm，浸沒(méi)在流體的支撐玻璃管直徑約為1 mm，對(duì)流體擾動(dòng)較小。

(a)應(yīng)變檢測(cè)位移 (b)光學(xué)檢測(cè)位移

1.8 超聲多普勒法

超聲多普勒測(cè)速(ultrasonic doppler velocimetry，UDV)如圖7所示，是一種非侵入式技術(shù)，通過(guò)發(fā)射超聲波(通常為1～10 MHz)，檢測(cè)流體中示蹤粒子反射回波的多普勒頻移，計(jì)算得到局部流速。TAKEDA[23]研制了超聲多普勒測(cè)速系統(tǒng)，測(cè)量水速度時(shí)偏差小于5%，采用多個(gè)UDV探頭獲得了汞的二維流場(chǎng)分布。在測(cè)量高溫液態(tài)金屬方面，當(dāng)溫度高于230℃時(shí)，須使用波導(dǎo)管保護(hù)產(chǎn)生超聲波信號(hào)的壓電材料。ECKERT[24]研制了能夠應(yīng)用于620℃高溫環(huán)境的波導(dǎo)探頭，獲得了300℃鉛鉍及620℃銅錫合金流速分布。UDV能在不透明介質(zhì)中正常傳播，沿聲波傳輸路徑測(cè)量流速分布，具有較高的時(shí)間、空間分辨率，不受外界電磁干擾影響。UDV也受測(cè)速系統(tǒng)、超聲穿透效率、流固界面、聲壓及示蹤粒子特性的影響。

(a)超聲多普勒法原理

(b)超聲多普勒法設(shè)備實(shí)物

1.9 電磁感應(yīng)法

電磁感應(yīng)成像法分為電渦流探針(eddy current flow meter，ECFM)和非接觸電感流動(dòng)層析成像(contactless inductive flow tomography，CIFT)，如圖8所示。當(dāng)金屬流體流過(guò)外部激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的正交磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流進(jìn)而引起磁場(chǎng)變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析磁場(chǎng)變化和流場(chǎng)的關(guān)系，采用適當(dāng)?shù)恼齽t化技術(shù)求解逆問(wèn)題，可以獲得流場(chǎng)。美國(guó)原子能委員會(huì)在20世紀(jì)70年代基于電渦流原理開(kāi)發(fā)了探頭式流量傳感器，進(jìn)行非接觸測(cè)量。目前ECFM探頭的外徑可達(dá)到10 mm量級(jí)，測(cè)速精度可達(dá)到±2%，量程可達(dá)0.03～1.4 m/s[25]。CIFT是無(wú)需添加示蹤粒子的非介入式方法，原理與ECFM法類(lèi)似，但傳感器為陣列式，包含多個(gè)磁敏元件，可從多角度檢測(cè)物場(chǎng)內(nèi)的電磁場(chǎng)變化，重建容器內(nèi)部的三維流場(chǎng)。在2004年，STEFANI[26]提出采用CIFT測(cè)速。WONDRAK等[27]應(yīng)用該方法測(cè)得了1 cm/s的低速流動(dòng)，MITRA等[28]則測(cè)量了圓筒內(nèi)Rayleigh-Benard對(duì)流的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)。該方法很好地實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬二維或三維速度場(chǎng)測(cè)量，在反應(yīng)堆三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)量方面具有較高價(jià)值。

(a)電渦流探針

(b)電感流動(dòng)層析成像

1.10 洛倫茲力法

洛倫茲力測(cè)速法(lorentz force velocimetry，LFV)如圖9、圖10所示，是一種基于電磁感應(yīng)效應(yīng)的非接觸式流速測(cè)量技術(shù)[29]。當(dāng)金屬或?qū)щ娏黧w在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流和原磁場(chǎng)之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力。根據(jù)牛頓第三定律，原磁場(chǎng)源也會(huì)受到一個(gè)和洛倫茲力大小相同但方向相反的力，該反作用力和流體流速存在關(guān)系，通過(guò)測(cè)量該反作用力可以確定流體的平均速度。在使用局部磁場(chǎng)的情況下，可進(jìn)行局部速度測(cè)量[30]。洛倫茲力取決于電導(dǎo)率、液體和原磁體之間的相對(duì)速度，以及磁場(chǎng)的大小。電導(dǎo)率較大時(shí)洛倫茲力更便于檢測(cè)，因而LFV可用于測(cè)量高溫和腐蝕性液態(tài)金屬，并已在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于GaInSn、鋼鐵及鋁流速測(cè)量[31]。

圖9 洛倫茲力測(cè)速原理

圖10 洛倫茲力測(cè)速示意圖

1.11中子照相法

該測(cè)量法的原理和粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry，PIV)類(lèi)似，如圖11所示，通過(guò)連續(xù)拍照獲得粒子位移變化，進(jìn)而得到局部速度及流場(chǎng)。中子射線(xiàn)穿過(guò)液態(tài)金屬的衰減很小，熱中子束被示蹤粒子吸收后在轉(zhuǎn)換板上成像，采用高速相機(jī)拍攝轉(zhuǎn)換板的影像變化，然后通過(guò)特定算法(如PIV算法)可以獲取金屬流場(chǎng)。TAKENAKA[18]采用AuCd3為彌散顆粒，可視化了液態(tài)金屬流場(chǎng)，測(cè)量速度不確定度為10%。CHA和SAITO[32]獲得了鉛鉍繞流管束的二維流場(chǎng)，采用的AuCd3粒子直徑為1 mm。

圖11 中子射線(xiàn)法示意圖

2 技術(shù)對(duì)比

液態(tài)金屬測(cè)速的特殊性具體表現(xiàn)為高溫度、低透光率、強(qiáng)腐蝕性、高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、潛在的液固相變、高密度等。高溫狀態(tài)對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的耐溫性提出了苛刻的要求。低透光率使光線(xiàn)難以透過(guò)流體，嚴(yán)重制約PIV、激光誘導(dǎo)熒光/平面激光誘導(dǎo)熒光、激光多普勒測(cè)速儀等依靠光學(xué)信息測(cè)速方法的應(yīng)用，光學(xué)信息測(cè)速方法局限于測(cè)量表面流速。強(qiáng)腐蝕性導(dǎo)致光纖/電勢(shì)探針等侵入結(jié)構(gòu)無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，而且腐蝕滋生的雜質(zhì)會(huì)使UDV的示蹤粒子濃度不穩(wěn)定，也會(huì)影響皮托管(取壓孔)的穩(wěn)定工作能力，導(dǎo)致檢測(cè)過(guò)程失常。高熱導(dǎo)率使熱線(xiàn)測(cè)速類(lèi)方法可靠性降低。高電導(dǎo)率導(dǎo)致電勢(shì)探針的內(nèi)阻大幅降低，難以滿(mǎn)足安裝絕緣襯的條件，且電渦流效應(yīng)和電磁場(chǎng)趨膚效應(yīng)顯著，致使常規(guī)電勢(shì)探針難以有效檢測(cè)信號(hào)。金屬高熔點(diǎn)特性極易誘發(fā)液固相變現(xiàn)象，壓差法取壓位置凝固造成難以準(zhǔn)確檢測(cè)流速。高密度特性會(huì)導(dǎo)致流體沖擊較大，致使脆弱的光纖/電勢(shì)探針難以穩(wěn)定工作，檢測(cè)精度不理想。

根據(jù)測(cè)量結(jié)構(gòu)是否浸入流體，可將前述方法分為介入式和非介入式。介入式測(cè)量方法會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大干擾，同時(shí)也受被測(cè)液體沖刷，可能會(huì)發(fā)生彎曲甚至損壞，但測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)后處理簡(jiǎn)單。非介入式測(cè)量方法對(duì)原有流場(chǎng)產(chǎn)生干擾較小，時(shí)間、空間分辨率較高，而且可以獲取流場(chǎng)，但測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量過(guò)程會(huì)引入雜質(zhì)或受外力的干擾，且數(shù)據(jù)后處理難度較大。

2.1 介入式測(cè)量方法

2.1.1皮托管法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性高。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：小型化、微壓差測(cè)量、校準(zhǔn)。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①表面張力限制探頭小型化，磁場(chǎng)等外部體積力導(dǎo)致動(dòng)能不完全轉(zhuǎn)化為壓差[34]，溫度引起的密度變化導(dǎo)致精度下降，受到?jīng)_擊變形影響準(zhǔn)確性；②黏滯性、湍流、壁面效應(yīng)及速度梯度使校準(zhǔn)復(fù)雜；③需配套高溫密閉條件下高精度的壓差傳感器，引壓過(guò)程受凝固限制。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于液態(tài)鉛鉍合金，探頭最小尺寸約5 mm[6]，需開(kāi)發(fā)二維、三維小型測(cè)量探頭，應(yīng)提升壓差測(cè)量精度。

2.1.2卡門(mén)渦街法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：不受流體的物理性質(zhì)、溫度變化的影響。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：小型化、衰減頻率與流速關(guān)系。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①高溫下探頭的使用壽命受到限制，衰減頻率受裝置振動(dòng)和流道結(jié)構(gòu)干擾；②受流體的雷諾數(shù)、浸入深度與圓柱體直徑比值的限制[3]。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于伍德合金和鐵液，探頭最小尺寸約6 mm[8]，需開(kāi)發(fā)高效頻率檢測(cè)儀。

2.1.3電勢(shì)探針?lè)?/p>

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，時(shí)間響應(yīng)快、速度分辨率高。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：流動(dòng)方向需與磁場(chǎng)垂直，電壓信號(hào)精確測(cè)量。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①電極氧化、雜質(zhì)沉積導(dǎo)致接觸電阻變化，影響結(jié)果準(zhǔn)確性；②探針電極較細(xì)，易受流體沖擊變形；③電極電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，易受外部電噪聲干擾。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于GaInSn、PbLi、NaK等[35]，探頭尺寸約1 mm，需提升毫伏電壓檢測(cè)精度。

2.1.4永磁/電磁探針?lè)?/p>

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間、速度分辨率高，尺寸小，壽命長(zhǎng)。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：小型化，表面鍍膜潤(rùn)濕、流速與磁場(chǎng)信號(hào)關(guān)系。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①無(wú)接觸電阻的潤(rùn)濕良好的探頭鍍膜材料難找；②溫度達(dá)到永磁鐵居里溫度時(shí)，磁場(chǎng)消失；③溫度對(duì)信號(hào)檢測(cè)影響大，非線(xiàn)性變化較嚴(yán)重；④測(cè)量小流速容易受外界磁場(chǎng)影響，需進(jìn)行屏蔽。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于LBE、GaInSn、Sn和Na等，尺寸小至3 mm[14]，需開(kāi)發(fā)信號(hào)隨速度線(xiàn)性關(guān)系更好的磁場(chǎng)源。

2.1.5熱線(xiàn)法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單、尺寸小。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：熱線(xiàn)溫度檢測(cè)、熱線(xiàn)換熱關(guān)系。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①信號(hào)受潤(rùn)濕、氧化及雜質(zhì)沉積等表面條件影響；②液態(tài)金屬熱擴(kuò)散較大，影響檢測(cè)分辨率；③熱線(xiàn)受液態(tài)金屬?zèng)_擊折斷。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于Hg[20]，需校準(zhǔn)熱線(xiàn)換熱關(guān)系并采用鍍膜來(lái)減小表面影響。

2.1.6機(jī)械位移法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，尺寸小，抗電磁干擾。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：彈性模量變化、位移檢測(cè)。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①溫度變化影響材料彈性模量，影響探針精度；②毛細(xì)探頭結(jié)構(gòu)安全性低，測(cè)量結(jié)構(gòu)尾部尺寸大；③位移與流體密度有關(guān)，不同流體需要重新標(biāo)定；④繞流產(chǎn)生渦街振動(dòng)，影響位移檢測(cè)準(zhǔn)確性。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于LBE，尺寸最小約50 μm[22]，需提升材料彈性模量穩(wěn)定性與位移檢測(cè)準(zhǔn)確性和濾波能力。

2.1.7時(shí)間過(guò)渡法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)、原理簡(jiǎn)單。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：脈沖時(shí)間測(cè)量。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①加熱棒附近安裝較多熱電偶，擾動(dòng)流體大；②液態(tài)金屬內(nèi)溫度脈沖傳播快，需高溫差的脈沖；③流體原本溫度場(chǎng)影響精度。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于NaK合金[18]，需開(kāi)發(fā)高溫差脈沖，降低整體尺寸。

2.1.8電渦流探針?lè)?/p>

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非接觸測(cè)量，探頭便于更換[36]。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：小型化、電磁感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)、校準(zhǔn)。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①測(cè)量速度為探頭附近流體速度平均值，空間分辨率、精度均受到探頭尺寸和磁場(chǎng)范圍的影響；②探頭流體邊界層、流動(dòng)分離影響測(cè)量結(jié)果，低流速產(chǎn)生渦流較弱以致測(cè)量低流速精度不高[37]。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于Na，尺寸小至10 mm[38]，需提高空間分辨率，采用相位法提高測(cè)量精度[39]。

2.2 非介入式測(cè)量

2.2.1超聲多普勒法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：流場(chǎng)干擾小、可同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)流速分布、測(cè)量系統(tǒng)成熟。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：示蹤粒子選擇、界面潤(rùn)濕、高溫探頭。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①測(cè)速系統(tǒng)影響時(shí)間分辨率、探頭發(fā)射頻率、換能器振鈴效應(yīng)，且受溫度干擾；②腐蝕氧化使?jié)櫇裥韵陆?，影響超聲穿透性[40]；③界面氣體薄層聲阻較大，界面金屬氧化顆粒造成超聲信號(hào)散射，影響近壁面測(cè)量精度；④機(jī)械波聲壓造成流體及示蹤粒子的振動(dòng)，示蹤粒子濃度不穩(wěn)定[41]，影響精度。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于LBE、GaInSn、Hg等，承受溫度達(dá)600℃[23]，時(shí)、空間分辨率分別可達(dá)10 ms和0.4 mm，流速范圍覆蓋0.01～1 m/s[33]，需重點(diǎn)研究潤(rùn)濕性佳的材料。

2.2.2電磁感應(yīng)成像法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：流場(chǎng)干擾小，無(wú)示蹤粒子，響應(yīng)快、分辨率高。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：陣列磁場(chǎng)施加，檢測(cè)及設(shè)備小型和簡(jiǎn)單化。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①工質(zhì)特性對(duì)分辨率影響較大，流場(chǎng)反演難度高；②外加磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸向減小，小磁場(chǎng)軸向探測(cè)能力低，而強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)影響流場(chǎng)；③易受外界電磁干擾。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于GaInSn[42]，最低可測(cè)流速0.01 m/s[27]，需要降低系統(tǒng)復(fù)雜性和體積，提高流場(chǎng)反演算法精度和濾波能力。

2.2.3洛倫茲力法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：流場(chǎng)干擾小，不添加示蹤粒子。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：局部磁場(chǎng)施加，洛倫茲力檢測(cè)。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①需要檢測(cè)微弱的洛倫茲力，特別是液態(tài)金屬電導(dǎo)率不夠大時(shí)洛倫茲力更??；②多個(gè)局部磁場(chǎng)源施加和三維局部流速反演難；③易受外界電磁干擾。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于鋁、鐵液，需研究強(qiáng)磁場(chǎng)、微重力、電磁環(huán)境等條件下該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑，及多維洛倫茲力檢測(cè)[43]。

2.2.4中子照相法

1)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：流場(chǎng)干擾小，流場(chǎng)反演PIV算法較成熟。

2)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：中子源選擇、用于信號(hào)捕捉的成像屏布置。

3)技術(shù)難點(diǎn)：①對(duì)中子源強(qiáng)及中子束流準(zhǔn)直度要求高；②測(cè)量對(duì)象尺寸小且精度待評(píng)估，三維測(cè)量困難；③對(duì)環(huán)境的屏蔽有要求，測(cè)量成本高。

4)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)：已用于LBE，后續(xù)需研究三維流場(chǎng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)較大尺寸結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量。

綜合而言，皮托管、磁探針和電渦流探針的可實(shí)現(xiàn)性和可靠性較好，綜合技術(shù)成熟度較高，已經(jīng)用于核領(lǐng)域液態(tài)金屬流速測(cè)量[5-6，14]。電渦流探針能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，且不使用永磁體，不受居里溫度限制，可在更寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。在非介入式測(cè)量方面，中子照相技術(shù)需引入粒子，當(dāng)前僅能獲得較小尺寸結(jié)構(gòu)的二維流場(chǎng)，工程測(cè)量成熟度低；超聲多普勒法需引入粒子，流場(chǎng)測(cè)量時(shí)影響因素較多[33]，作為工業(yè)環(huán)境下關(guān)鍵流速長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方法的可靠性難保證，但測(cè)量系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單且研究較充分，技術(shù)成熟度最高，可在實(shí)驗(yàn)室條件下作為其他流速檢測(cè)方法的標(biāo)定手段[5]。電磁感應(yīng)成像法不用引入粒子，但會(huì)受到電磁干擾，現(xiàn)已成功被用于測(cè)量三維流場(chǎng)[27- 28]，技術(shù)成熟度居中。洛倫茲力法也不需要引入粒子，但測(cè)量多維局部流速方面尚未有公開(kāi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)表。此外，電磁感應(yīng)成像法已發(fā)現(xiàn)影響測(cè)量精度的因素較少，具有較高的時(shí)間、空間分辨率，在測(cè)量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)方面有較好前景。

3 技術(shù)推薦

在反應(yīng)堆堆池內(nèi)，需要測(cè)量流速的主要位置有蒸汽發(fā)生器、堆芯及腔室。前文所述液態(tài)金屬流速測(cè)量技術(shù)均未有成熟可靠的用于反應(yīng)堆工程的商業(yè)化測(cè)量?jī)x器。近年來(lái)研究人員重點(diǎn)關(guān)注并使用的流速測(cè)量方法有皮托管法[7]、電磁探針?lè)╗14]、電渦流探針?lè)╗38]、超聲多普勒法[33]和電磁感應(yīng)成像法[42]。反應(yīng)堆內(nèi)液態(tài)金屬具有高溫、腐蝕及含放射性物質(zhì)等特點(diǎn)，流速檢測(cè)方法宜選擇流場(chǎng)干擾小、可靠性高、流體接觸少甚至無(wú)接觸的，相關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)選用流場(chǎng)干擾小、測(cè)量精度高的方法。針對(duì)堆內(nèi)不同測(cè)量對(duì)象，推薦工程或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證上有前景的測(cè)量方式如下。

1)蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)流體吸收熱量發(fā)生相變，帶走一回路熱量。無(wú)論是列管式還是盤(pán)管式，傳熱管整體體積龐大，管間間隙狹窄，間隙通常小于管徑，量級(jí)約10 mm。因此，應(yīng)當(dāng)選用對(duì)流場(chǎng)干擾較小的測(cè)量方式。非介入式方法中超聲多普勒法的超聲受到管內(nèi)水-蒸汽強(qiáng)烈干擾。相比而言，電磁感應(yīng)成像法較優(yōu)，已成功用于測(cè)量液態(tài)金屬對(duì)流換熱流場(chǎng)[28]。若對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管進(jìn)行縮比模化，也可采用中子照相法測(cè)量，如韓國(guó)測(cè)量了管束間液態(tài)金屬流場(chǎng)[32]。在介入式測(cè)量方法中，皮托管、電磁探針?lè)ā㈦姕u流探針?lè)ň軐?shí)現(xiàn)尺寸小于10 mm[6，14，38]。電磁探針尺寸小、強(qiáng)度足且可測(cè)量二維流速，日本JAEA已經(jīng)驗(yàn)證了3 mm電磁探針測(cè)量鉛鉍流速可行性[14]，是蒸汽發(fā)生器實(shí)驗(yàn)測(cè)量流速的較優(yōu)方式。

2)燃料組件。冷卻劑通過(guò)對(duì)流換熱帶走燃料棒束的熱量，以確保燃料棒溫度不超限值。通常，單盒組件的尺寸相對(duì)較小，量級(jí)約100 mm。棒間距較小，而且棒間存在格架或繞絲，流體流動(dòng)間隙量級(jí)約1 mm。介入式方法不適用于測(cè)量燃料組件內(nèi)部流場(chǎng)，但可用于測(cè)量組件進(jìn)出口區(qū)域流速分布，如日本Monju快堆采用電渦流探針測(cè)量堆芯出口流速長(zhǎng)達(dá)20年[38]，德國(guó)KALLA采用皮托管測(cè)量堆芯出口流速分布[7]。組件內(nèi)部流場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)和工程上均難測(cè)，目前尚未有公開(kāi)文獻(xiàn)發(fā)表。工程上不允許堆內(nèi)引入雜質(zhì)，可采用電磁感應(yīng)法；實(shí)驗(yàn)上燃料棒內(nèi)通常存在加熱電流干擾磁場(chǎng)和多重界面干擾超聲，可采用中子照相法測(cè)量。

3)池式腔室。反應(yīng)堆腔室尺寸較大，內(nèi)部存在換熱器、主泵等重要部件，其自由液面振蕩、流體射流及熱分層變化會(huì)引起傳熱變化，導(dǎo)致部件熱疲勞、結(jié)構(gòu)破壞而帶來(lái)安全問(wèn)題。腔內(nèi)布置測(cè)量?jī)x器的空間充足，介入式和非介入式測(cè)量方式均可采用。射流、金屬卷吸氣體、液面振蕩均屬于非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，應(yīng)采用時(shí)間、空間分辨率較高的監(jiān)測(cè)方式，比如電磁感應(yīng)成像法、永磁/電磁探針?lè)半姕u流探針?lè)?。如果要獲得腔室整體流場(chǎng)分布，可開(kāi)展比例模化以縮小規(guī)模，在縮比的基礎(chǔ)上開(kāi)展試驗(yàn)，選擇超聲多普勒流場(chǎng)測(cè)量方法，如日本采用超聲多普勒法獲得了1/10上腔室縮放模型流場(chǎng)[44]，德國(guó)獲得了腔內(nèi)自然對(duì)流流場(chǎng)[45]。

4 結(jié)論

開(kāi)展液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量研究對(duì)于蒸汽發(fā)生器、燃料組件、反應(yīng)堆系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的熱工水力設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)研究較重要。對(duì)于金屬流速測(cè)量技術(shù)，結(jié)果及結(jié)論如下：

1)介入式技術(shù)通過(guò)測(cè)量多個(gè)局部點(diǎn)的流速可得到流場(chǎng)信息。其中，皮托管法、永磁/電磁探針?lè)半姕u流探針?lè)ㄑ芯枯^充分、成熟度高，特別是電渦流探針可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量，在監(jiān)測(cè)堆內(nèi)流速方面較有潛力。

2)非介入式技術(shù)對(duì)流場(chǎng)的干擾較小，可同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)流速。中子照相法、超聲多普勒法、電磁感應(yīng)成像法及洛倫茲力法均有較好前景。其中，超聲多普勒法技術(shù)成熟度較高，可用于實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，中子照相法實(shí)施難度最大，二者均需加入示蹤粒子。電磁感應(yīng)法無(wú)需示蹤粒子，時(shí)空分辨率高，適應(yīng)范圍廣。

3)對(duì)于蒸汽發(fā)生器，推薦電磁感應(yīng)法、中子照相法、皮托管法、電磁探針?lè)半姕u流探針?lè)?；?duì)于堆芯燃料組件，推薦皮托管法、電渦流探針?lè)y(cè)量進(jìn)出口流速，并采用中子照相法測(cè)量堆芯流場(chǎng)；對(duì)于池式腔室，推薦電磁感應(yīng)成像法、永磁/電磁探針?lè)?、電渦流探針?lè)俺暥嗥绽辗ā?/p>