棒束通道內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性研究

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

(1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京自動(dòng)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(duì)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(dòng)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(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，保證海上核設(shè)施的安全運(yùn)行。流動(dòng)不穩(wěn)定性對(duì)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(huì)引起反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑的流量波動(dòng)，而脈動(dòng)流是一種實(shí)驗(yàn)研究中常見到的典型流動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象[2-4]，本文就穩(wěn)態(tài)流和脈動(dòng)流下棒束通道內(nèi)溫度分布進(jìn)行研究。

目前，數(shù)值計(jì)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(shí)眾多學(xué)者也開展了對(duì)反應(yīng)堆系統(tǒng)參數(shù)等方面的實(shí)驗(yàn)研究，包括對(duì)溫度、壓力、流速等參數(shù)的測(cè)量。可視化技術(shù)的出現(xiàn)，突破了結(jié)構(gòu)限制測(cè)量的局限性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確、無擾測(cè)量，同時(shí)該技術(shù)響應(yīng)時(shí)間短，能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，對(duì)掌握熱工水力現(xiàn)象機(jī)理、評(píng)估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能有重要作用。本文將采用可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)——激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)[9]對(duì)棒束通道溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)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(huì)發(fā)生躍遷-退激過程，在退激過程會(huì)發(fā)射出特定波長(zhǎng)的熒光，以此來進(jìn)行溫度、濃度的實(shí)時(shí)反饋。目前LIF技術(shù)在濃度、溫度分布的全場(chǎng)測(cè)量方面體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，相關(guān)學(xué)者采用該技術(shù)對(duì)射流流場(chǎng)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)復(fù)雜通道的測(cè)量難度較大，需要解決的難點(diǎn)較多[12]，因此本文擬對(duì)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(cè)量復(fù)雜結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布的技術(shù)方案，并對(duì)棒束通道溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，獲得不同流動(dòng)條件下的溫度分布。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行[13]，實(shí)驗(yàn)回路示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)回路包括循環(huán)水箱、離心泵、流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、過濾器及棒束實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)過程分為標(biāo)定和測(cè)量?jī)刹糠郑枰@得溫度與熒光強(qiáng)度的擬合曲線，并利用該曲線對(duì)加熱工況下溫度分析進(jìn)行反饋。實(shí)驗(yàn)中采用2臺(tái)高速攝影儀實(shí)時(shí)獲取溫度分布數(shù)據(jù)，在每臺(tái)攝影儀前放置不同波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)中布置3個(gè)定位格架，間隔約24 cm，為保證消除入口效應(yīng)，第1個(gè)格架布置于距入口約40 cm處，數(shù)據(jù)獲取在第3個(gè)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(shí)現(xiàn)流量的改變。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(cè)量，其測(cè)量的準(zhǔn)確性、后處理的準(zhǔn)確性都對(duì)結(jié)果有很大的影響。本文針對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(huì)產(chǎn)生光漂白作用，影響染色劑特性。經(jīng)驗(yàn)證，6 800～8 300 W/m2是本實(shí)驗(yàn)合適的激光強(qiáng)度，同時(shí)要保證空間上光強(qiáng)分布均勻、時(shí)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(huì)影響激光的穩(wěn)定性，要避免強(qiáng)光、震動(dòng)等的外界干擾。欲保證實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)范圍與示蹤染色劑可吸收波長(zhǎng)范圍，這樣當(dāng)激光照射流場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)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(duì)兩種染色劑的穩(wěn)定性、溫度敏感性、最佳實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行后處理才能保證真實(shí)反映溫度分布，整個(gè)后處理過程包含匹配-降噪-標(biāo)定-重構(gòu)4個(gè)步驟。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，2臺(tái)高速攝影儀拍攝的圖像會(huì)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(shí)刻圖像進(jìn)行匹配，如式(1)[14]所示；降噪過程要對(duì)測(cè)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(jì)算方法，既能減少背景光的干擾、降低噪聲影響，同時(shí)也能增強(qiáng)溫度敏感性，此時(shí)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(duì)點(diǎn)的方式，針對(duì)圖像中的每個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量值和背景值；Ci(Fl27)、Ca(Fl27)分別為Fl27的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和背景值。

3 實(shí)驗(yàn)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(dòng)工況下的實(shí)驗(yàn)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(duì)較高，兩側(cè)沒有加熱棒，溫度相對(duì)較低，單根棒加熱時(shí)，靠近加熱棒的通道位置，會(huì)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(shí)，可觀察到在中間位置處，溫度仍是最高的，兩側(cè)相對(duì)較低，且能看到明顯的溫度變化趨勢(shì)，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(dòng)流溫度分布

對(duì)脈動(dòng)流下瞬態(tài)溫度分布特性進(jìn)行測(cè)量，分析流量波動(dòng)和定位格架共同作用下棒束通道內(nèi)溫度的分布情況。實(shí)驗(yàn)中脈動(dòng)流流量采用正弦波動(dòng)，流量中值為0.7 m3/h，脈動(dòng)周期t0分別選取5、8、10 s，波動(dòng)幅值γ為0.3，通過對(duì)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(shí)驗(yàn)初始時(shí)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(shí)脈動(dòng)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(shí)脈動(dòng)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(dòng)流工況下的溫度分布基本與穩(wěn)態(tài)流時(shí)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(shí)均下溫度分布云圖相比，受到渦流、橫流等流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響，溫度波動(dòng)和變化趨勢(shì)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(dòng)的變化，特別是在中間區(qū)域，這種變化主要是受脈動(dòng)流量的影響，使溫度出現(xiàn)周期性波動(dòng)。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(dòng)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(dòng)邊界層，使得熱擴(kuò)散加劇，在流速波動(dòng)和攪混作用下，溫度分布的變化趨勢(shì)更明顯。

3.3 溫度分布特性

對(duì)于棒束通道內(nèi)的溫度分布特性，可從時(shí)均化和瞬態(tài)的角度出發(fā)，以溫度波動(dòng)來評(píng)價(jià)定位格架的攪混作用、流量波動(dòng)及加熱使得棒束通道內(nèi)流體的溫度隨時(shí)間波動(dòng)，同時(shí)考慮溫度均值和瞬時(shí)溫度分布信息，提出了棒束通道內(nèi)溫度波動(dòng)的計(jì)算公式：

(3)

(4)

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

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

圖7為棒束通道中間位置不同流動(dòng)工況下的溫度波動(dòng)。從圖7可看出，穩(wěn)態(tài)流和脈動(dòng)流下溫度波動(dòng)趨勢(shì)基本類似。穩(wěn)態(tài)流時(shí)，在靠近格架處，溫度波動(dòng)數(shù)值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(dòng)也基本類似。脈動(dòng)流時(shí)，在靠近格架處，溫度波動(dòng)也會(huì)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大值更靠近格架，約在(2～3)Dh處，遠(yuǎn)離格架時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)。這主要是由于攪混翼會(huì)產(chǎn)生橫向流動(dòng)和湍流脈動(dòng)，而脈動(dòng)流主要會(huì)產(chǎn)生沿軸向方向的流動(dòng)作用，在靠近格架時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種作用的疊加效應(yīng)，使得溫度波動(dòng)較穩(wěn)態(tài)流時(shí)大，且溫度波動(dòng)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(dòng)流的作用仍存在，使得下游的溫度波動(dòng)會(huì)存在起伏。穩(wěn)態(tài)流時(shí)，溫度波動(dòng)主要受定位格架攪混效應(yīng)和熱驅(qū)動(dòng)的影響，因此溫度波動(dòng)的變化趨勢(shì)很規(guī)律，而脈動(dòng)流時(shí)，定位格架攪混效應(yīng)與流量變化的疊加會(huì)導(dǎo)致溫度波動(dòng)變大，且在遠(yuǎn)離格架時(shí)，流量波動(dòng)的影響仍存在。

圖7 中間棒束間隙處溫度波動(dòng)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(duì)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(gè)朝向右側(cè)的攪混翼，1個(gè)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(shí)由于棒2位置處溫度相對(duì)較高，2個(gè)攪混翼斜對(duì)稱布置，增加了其攪混能力，熱量能及時(shí)被帶走，而棒1和棒3位置處的攪混翼，增加了橫向流動(dòng)，也能及時(shí)將加熱棒產(chǎn)生的熱量傳遞給流體，因此會(huì)出現(xiàn)圖6所示的溫度波動(dòng)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(duì)棒束通道內(nèi)穩(wěn)態(tài)流和脈動(dòng)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(duì)系統(tǒng)光學(xué)特性、染色劑特性、后處理技術(shù)的評(píng)價(jià)與優(yōu)化，得到了LIF技術(shù)在溫度場(chǎng)測(cè)量時(shí)所需的關(guān)鍵參數(shù)。

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

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