本发明涉及一种颗粒速度测量方法和装置，具体涉及一种高温气冷堆颗粒流速度测量的方法和装置。
背景技术：
能源紧缺是当前世界面临的一大问题，化石燃料的逐渐枯竭以及对于环境保护的需求使得核能这一清洁能源受到越来越多的关注。目前主流的候选堆型中超高温反应堆和熔盐反应堆均是是使用球形燃料元件。几十万颗粒的径向和轴向速度分布是堆芯几何设计、反应堆物理以及核燃料循环计算的基础。目前，国际上对于球流速分布主要基于经验判断，进行堆内温度和功率分布的优化设计。反应堆长年运行、情况复杂，不会一成不变地遵守预设流速分布，如果出现设备故障，或者颗粒的性质变化乃至颗粒磨损，都会改变球流特性，造成过热或过燃耗，运行工况将异常复杂，高温气冷堆领域对颗粒流的科学认识需求极为迫切。
目前堆芯颗粒流的研究方法主要包括：光学摄影方法(包括：粒子图像测速法(piv)，粒子示踪测速法(ptv)和空间滤波测速法(sfv)等)、x射线扫描、以及中科院应用物理所赵颖等提出的“测量堆芯模拟装置内的状态参数的无线探测系统及方法”(cn103714371a)，通过无线测量的方法等。但球形燃料由于运动速度缓慢，上述常规手段的时空分辨率都不足以对其进行有效测量，因此需要提出一种具有高时空分辨率的颗粒运动测量手段。
技术实现要素：
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本发明是针对目前测量高温气冷堆颗粒流方法存在的时空分辨率不足的难题，提出一种基于动态散斑测量法的高温气冷堆颗粒流速度场测量装置及方法，该装置及方法具有时空分辨率高的优点，可以有效检测极其缓慢的颗粒运动，得到高温气冷堆中不同位置的颗粒脉动速度，脉动速度用于表征颗粒的速度变化剧烈程度，并基于颗粒脉动速度由经验系数得出颗粒的速度场分布。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高温气冷堆颗粒流速度场测量装置，包括波长为532nm的激光发射器，凹透镜，漏斗型滚筒，ccd线阵相机，计算机、横、纵向移动平台以及垂直升降平台，垂直升降平台上安装横、纵向移动平台组成机械控制台，横、纵向移动平台上安装有激光发射器、凹透镜、ccd线阵相机，其中，激光器和凹透镜组成入射光路，ccd线阵相机连接计算机组成散射信号的采集和处理单元，漏斗型滚筒内放入直径为10mm的球型颗粒；激光发射器发射的激光透过凹透镜扩散到球形颗粒上，ccd线阵相机在远端接受形成的散斑图像，并由计算机处理ccd相机采集到的散斑图片；通过控制机械平台的移动，对整个漏斗型滚筒进行扫描。
一种应用高温气冷堆颗粒流速度场测量装置测量颗粒温度的方法，包括如下步骤：
1)针对高温气冷堆堆芯颗粒球流，采用单纵模大功率激光器作为光源，通过凹透镜将激光光束直径扩大到6倍颗粒直径以上后，照射在颗粒流上，在距离颗粒流1米以外通过ccd线阵相机接受形成的散斑；随着堆芯颗粒流的流动，散斑也随之产生随机波动；
2)在一定时间内用ccd线阵相机采集散斑图像，将每个像素点的灰度值存入对应尺寸的矩阵，并籍由矩阵中各像素点的灰度xij以及ccd线阵相机原理获得对应像素点位置上曝光时间为t时的光强ii；
3)分别计算灰度矩阵各行的灰度平方之和的均值<i2>与各行灰度之和的均值的平方<i>2，定义这两者之比值
4)抽取灰度矩阵中的奇数行，生成一个行数为原灰度矩阵1/2的新灰度矩阵，重复步骤(3)，获得曝光时间为2t时灰度矩阵各行的光强对比度；
5)根据siegert公式：<(ii(t')ii(t”))>＝<i>2{1+β[g1(t'-t”)]2}，其中β为系统相关系数，g1(t)为颗粒的散射光场自相关函数，由g1(t)＝e(-4πδv/λ)得到光强对比度与颗粒脉动速度的关系，其中δv表示颗粒脉动速度，λ表示已知的激光波长；
6)依次计算曝光时间为2t时与曝光时间为t时对应矩阵行的光强对比度的比值以消除散斑和像素大小的比例以及激光强度带来的影响；
7)根据步骤(5)中得到的光强对比度与颗粒脉动速度的关系，与步骤(6)中消除了影响因素后的不同曝光时间下的光强对比度比值可以计算得到颗粒脉动速度δv；
8)控制机械平台进行移动，重复步骤(2)-(7)，扫描整个漏斗型滚筒中的颗粒，得到漏斗型滚筒中颗粒的脉动速度场分布；
9)由于颗粒的脉动速度与速度存在着一定的比例关系δv＝kv，其中经验系数k通过测定漏斗型滚筒中的高速颗粒流的颗粒脉动速度与已知的颗粒流速度对比得到，漏斗型滚筒中的颗粒流速度可以通过调节漏斗型球床堆中下端的挡板控制，并根据步骤(8)中得到的颗粒脉动速度场计算得到漏斗型滚筒中颗粒的速度场分布。
本发明的有益效果是：
与现有高温气冷堆颗粒流速度场测量技术相比，本发明优势如下：基于动态散斑法，比起现有的测量颗粒速度场的方法，比如粒子图像测速法(piv)，粒子示踪测速法(ptv)和空间滤波测速法(sfv)等，本方法具有较高的时空分辨率，可以有效检测出极其缓慢的，传统光学手段难以检测的颗粒运动，直接计算得到高温气冷堆中不同位置的颗粒脉动速度场，并由经验系数得到颗粒速度场分布。
附图说明
图1为激光散斑原理测量高温气冷堆颗粒流速度场的实验装置；
图2为曝光时间为10微秒时灰度矩阵各行的光强的对比度随时间变化曲线；
图3为曝光时间为20微秒时灰度矩阵各行的光强对比度随时间变化曲线；
图4两种曝光时间下，光强对比度比值随时间变化曲线；
图5为滤波后得到的颗粒脉动速度随时间变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明原理与技术特征更为浅显易懂，下文将结合附图和具体实施步骤，对发明装置和原理做进一步阐释说明。
如图1所示，本发明的高温气冷堆颗粒流速度场测量装置，包括波长为532nm的激光发射器1，凹透镜2，漏斗型滚筒3，ccd线阵相机4，计算机5、横、纵向移动平台6以及垂直升降平台7。垂直升降平台7安装上横、纵向移动平台6组成机械控制台，横、纵向移动平台6上安装有激光发射器1、凹透镜2、ccd线阵相机4，其中，激光器1和凹透镜2组成入射光路，ccd线阵相机4连接计算机5组成散射信号的采集和处理单元，漏斗型滚筒3内放入直径为10mm的球型颗粒；激光发射器1发射的激光透过凹透镜2扩散到球形颗粒上，ccd线阵相机4在远端接受形成的散斑图像，并由计算机5处理ccd相机采集到的散斑图片；通过控制机械平台的移动，对整个漏斗型滚筒进行扫描。
基于激光散斑原理测量高温气冷堆颗粒流速度场原理：
在漏斗型滚筒中加入大量球型颗粒，在远端设立激光发射器作为光源并以凹透镜将其扩散到颗粒上，在远端通过线阵ccd相机接收散斑并连续成像。由图像灰度计算获得对应点的给定曝光时间的光强，根据动态散斑法相关原理，通过光强变化计算得到图像对比度，变化其比例消除散斑和像素大小比例带来的影响，最终由散斑对比度光谱法给出的方差比计算得到对应位置的颗粒脉动速度，控制机械平台进行移动，对整个漏斗型滚筒进行扫描，获得全局速度场分布，并根据经验系数得到对应的颗粒速度。
本发明的具体测量步骤为：
1)按照图1搭建实验装置，以波长为523纳米的半导体激光器作为光源，通过焦距为50毫米的凹透镜扩散后照射在漏斗型滚筒内的颗粒上，并在远场产生散斑；
2)开启漏斗，颗粒开始自由下落，注意调节开口处挡板，使得颗粒运动速度尽可能缓慢，以模拟高温气冷堆的实际情况，此时散斑随之发生随机变化；
3)在远端用像素为1024的线阵ccd相机以单位曝光时间t0＝10微秒对这种动态散斑连续成像，设定测量时间为10秒，生成20张像数为1024*10000的灰度图像；
4)分别计算灰度矩阵各行的灰度平方之和的均值<i2>与各行灰度之和的均值的平方<i>2，定义这两者之比值
5)抽取灰度矩阵中的奇数行，生成一个行数为原灰度矩阵1/2的新灰度矩阵，重复步骤(4)，获得曝光时间为2t时灰度矩阵各行的光强对比度，生成20组大小为1*5000的数组，(见图3)。
6)依次计算曝光时间为2t时与曝光时间为t时对应矩阵行的光强对比度的比值，生成20组大小为1*5000的对比度比值数组，(见图4)。
7)根据siegert公式，由步骤(6)中获得的各行光强对比度比值与已知的激光波长和曝光时间获得颗粒脉动速度，生成大小为1*100000的数组，记录10s内对应光斑位置的脉动速度统计值。
8)对其求均值可获得拍摄时段内的区域颗粒流脉动速度。
9)控制机械平台，以10mm为移动单位，逐步扫描整个漏斗型滚筒，重复步骤(3)-(8)获取漏斗型滚筒中的颗粒脉动速度场。
10)调节滚筒下端的挡板，使得滚筒中的颗粒流变为高速运动，通过对滚筒中的高速颗粒流采用本发明测得其脉动速度，与已知的颗粒运动速度比较，根据比例关系δv＝kv得到经验系数k，由系数k以及步骤(9)中得到的漏斗型滚筒中的颗粒脉动速度场，计算得出漏斗型滚筒中的颗粒速度场分布，(见图5)。