平行板束压场与流场同步测量实验装置

1.本发明涉及一种平行板束压场与流场同步测量实验装置，应用于平行板束内部的沿程压力损失测量、流场分布测量和流量分配测量，主要涉及流体力学、反应堆热工水力学、核安全等技术领域。


背景技术：

2.平行板束内部是多个平行的窄矩形流道，其具有结构紧凑、换热效率高、高热流密度等优点，可使换热设备小型化、一体化的趋势逐渐成为可能，因此广泛应用于航空航天、一体化反应堆和电子设备中。平行板束是非典型的流动通道，研究非典型的通道内流体的压力分布和流场分布可以加深对平行板束内阻力机理和流量分配特点的研究。作为反应堆内的重要组成部分，研究其内部压场与流场分布特性具有重要意义。
3.近年来国内外学者对平行板束内的压场与流场开展了卓有成效的研究工作，但是几乎全部是基于单个矩形流道，且关于流场的研究主要集中在数值模拟方面。然而在实际工程应用中，平行板束内各矩形流道的阻力特性存在差异，可能会导致各矩形流道内流速分布不同，即流量分配现象。而同时可能受到各种外部复杂环境的影响，导致平行板束各矩形流道内阻力特性差异性增大，速度分布不均现象明显增加，即加剧平行板束各矩形流道内流量分配现象产生，由此导致的差异性对于设备和系统的安全运行至关重要，因此合理设计平行板束压场与流场同步测量实验装置，开展不同流动工况下平行板束各矩形流道内阻力特性、速度分布与流量分配现象研究，具有重要的理论价值和工程指导意义。
4.中国专利cn 102313641a公开了一种可视化矩形窄缝实验装置，该实验装置主要由可视化窗口、底部承压体、测压组件、导热铜板等部件组成。可视化窗上设置有窄缝凹形流道，凹形流道与导热铜板组成矩形窄缝封闭流道，用于单相和两相可视化研究。该装置可捕获单个矩形流道内的压力、流体流态和流型转变等演化规律。但是该装置仅能对单个矩形流道进行压场与流场测量，无法对平行板束内不同矩形流道间的阻力特性和流量分配现象开展实验研究。
5.中国专利cn 209606460u公开了一种阻塞条件下流场
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温场同步测量的窄矩形实验装置，该实验装置主要由可视化窗口、承压本体、测温组件、导热铜板组成。测量本体进口、中部、出口处各设置有一个可视化窗口，用于观测单相条件下阻塞物对矩形流道内流场和温场分布的影响规律。但是该装置仅能对一个矩形流道内部的流场开展可视化测量研究，不能有效捕捉平行板束多个矩形流道内的流场分布的差异性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述实验装置或者实验系统不适用或不满足平行板束多矩形流道内压场与流场同步测量的需要，提供了一种平行板束压场与流场同步测量实验装置，本发明所述实验装置能够根据研究需要便于开展不同工况下平行板束多矩形流道内的流场分布和阻力特性试验，研究不同入口攻角、蜂窝板模式、流量、通道个数等水力参数及
相应几何参数对平行板束各矩形流道内流动阻力特性的影响及规律。同时本实验装置结合先进的测量设备和测量手段，获得平行板束各矩形流道内及板束出口的详细流场信息，从而获得板束通道内的流量分配现象。本发明可模拟反应堆平行板束内的单相流动，从而对平行板束各矩形流道的流场分布和阻力特性开展实验研究，结构简单，价格低廉，数据采集准确方便，研究工况范围广。
7.本发明的目的是这样实现的：包括测量本体、蓄水系统、调节系统和采集系统，测量本体包含板束筒体、板束隔板、上发展腔室、上缓冲腔室、下发展腔室、下缓冲腔室、定位槽、定位突起、可视化窗；板束筒体与板束隔板通过胶封粘接方式形成多个等间距的矩形流道，上缓冲腔室与上发展腔室之间、下缓冲腔室与下发展腔室之间均分别通过密封法兰和密封圈机械密封，上缓冲腔室和下缓冲腔室上均设置有测温口和压力口，各矩形流道上游位于入口下方、下游位于出口上分别设置有测压引口；所述定位槽位于板束筒体的内壁面上，且在矩形流道的进口、中部和出口处各设有一个定位槽，定位突起设置在板束隔板上，且在矩形流道的进口、中部、出口处各设有一个定位突起，定位槽和定位突起配合；定位槽和定位突起采用非胶封接触形成三个可视化窗。
8.本发明还包括这样一些结构特征：
9.1.上缓冲腔室与上发展腔室之间设置有与腔室内径尺寸相同的蜂窝板。
10.2.蓄水系统包括蓄水箱、增压泵和止回阀，回路工质在增压泵的驱动下充满整个实验回路后，关闭增压泵和止回阀，形成一个闭合的完整循环回路边界；所述调节系统包括控制电脑、变频器、滤波器、离心泵和调节阀，使用变频器和滤波器调节离心泵的转速，配合调节阀调节回路流量，实现不同测量工况的精确测量；所述数据采集系统包括热电偶、压差传感器、流量计、高速相机、激光发射器和采集电脑，数据采集系统对上述流量计、缓冲腔室上的热电偶、压差传感器和矩形流道上的压差传感器进行实时监视测量，同时实时捕获矩形流道三维速度场图像信息，为平行板束压场与流场同步测量实验提供总体流动特性参数数据指标；在实验装置的最高处设置有排气腔。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明所设可视化窗口，可以同时拍摄平行板束各矩形流道内部沿法向(x)、展向(y)、流向(z)速度分布，以及板束通道出口多射流现象，捕获平行板束内部流量分配现象，增补对平行板束内流场实验数据的不足。2.本发明装置的各矩形流道上下游分别留有发展长度l1和l2，使得流体平稳流入和流出各矩形流道有效试验段，防止进口漩涡和出口尾流对有效实验段内流动阻力特性的影响。3.本发明装置采用筒体内的定位槽和板束隔板上的定位突起，来有效精确的控制各矩形流道间的间隙尺寸，可以真实反映反应堆内部板状燃料组件阻力特性分布差异性。4.本发明的装置可实现平行板束内压场与流场同步测量，可综合分析阻力特性和流动特性的相互影响，能够直观方便的对板束通道内的流动阻力特性进行研究。
附图说明
12.图1是本发明的测量本体左视剖施图；
13.图2a为位于板束隔处的正剖视图，图2b为位于矩形流道处的正剖视图；
14.图3是本发明的板束隔板示意图；
15.图4是本发明的测速测压装置实验回路示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
17.结合图1、图2中图2a、图2b和图3，本发明提供一种平行板束压场与流场同步测量实验装置，所述实验装置包括测量本体、蓄水系统、调节系统和采集系统。所述测量本体包含板束筒体1、板束隔板2、矩形流道3、上发展腔室4、上缓冲腔室5、下发展腔室6、下缓冲腔室7、密封法兰8、密封圈9、蜂窝板10、测温孔11、压力孔12、测压引孔13、入口14、出口15、定位槽16、定位突起17、可视化窗18。其中板束筒体1与板束隔板2通过胶封粘接方式形成多个等间距的矩形流道3，上缓冲腔室4与上发展腔室5通过密封法兰8和密封圈9机械密封；同样的，下缓冲腔室6与下发展腔室7采用密封法兰8和密封圈9机械密封；上缓冲腔室4和下缓冲腔室6上设置有测温口11和压力口12，通过测量本体压力口之间的压力差，即可测量板束通道整体压降损失；各矩形流道5上游距离入口l1距离位置处设置有测压引口13，同理，矩形流道5下游距离出口l2距离位置处设置有测压引口13，通过测量两个测压引口之间的压力差，即可测量每个矩形流道内的沿程压降；所述定位槽16位于板束筒体1的内壁面上，于矩形流道3的进口、中部和出口处各设有一个定位槽16，同理，定位突起17位于板束隔板2上，于矩形流道3的进口、中部、出口处各设有一个定位突起17，定位槽尺寸和定位突起尺寸相吻合；定位槽16和定位突起17采用非胶封接触形成三个可视化窗18，通过高速相机和激光发射器实时捕获各矩形流道内三维速度分布。
18.结合图4，是本发明的回路系统，由蓄水系统、调节系统和数据采集系统组成。所述蓄水系统由蓄水箱19、增压泵20和止回阀21组成。回路工质在增压泵20的驱动下充满整个实验回路后，关闭增压泵20和止回阀21，形成一个闭合的完整循环回路边界。所述调节系统由控制电脑22、变频器23、滤波器24、离心泵25和调节阀26组成，使用变频器23和滤波器24调节离心泵25的转速，配合调节阀26调节回路流量，实现不同测量工况的精确测量。所述数据采集系统由热电偶、压差传感器、流量计27、高速相机28、激光发射器29和采集电脑30组成。数据采集系统对上述流量计、缓冲腔室上的热电偶、压差传感器和矩形流道上的压差传感器进行实时监视测量，同时实时捕获可视化窗口内矩形流道三维速度场图像信息，为平行板束压场与流场同步测量实验提供总体流动特性参数数据指标。
19.所述上缓冲腔室4与上发展腔室5间放置与腔室内径尺寸相同的蜂窝板10，以保证流量分配均匀，也即水由测量本体入口进入，经过上缓冲腔室、蜂窝板整流后，进入板束通道。
20.所述矩形流道5上游、下游分别预留了入口距离为l1和出口距离为l2的发展段，使得流体平稳流入和流出各矩形流道的有效测压段，避免进口漩涡和出口尾流对矩形流道内有效测压段内的压降损失造成干扰。其中入口距离l1根据流道形状、尺寸和上游入口条件通过查询热工水力手册确定，确保实验流体充分发展；其中出口距离l2根据流道形状、尺寸和下游出口条件通过查询热工水力手册确定，减轻尾流效应对实验流体的影响。
21.所述定位槽16和定位突起17采用高精度仪器加工形成，精确定位连接形成多个等间距的矩形流道3。
22.所述高速相机28和激光发射器29在可视化窗18处呈正交分布方式布置，利用粒子图像测速技术(piv)辅助拍摄各矩形流道3内不同位置、不同方位以及出口射流的速度分布。
23.所述排气腔31位于整个回路系统最高处，用于排除回路不凝性气体。
24.所述测量本体采用有机玻璃制造，利用胶封方式形成平行板束内各矩形流道的完整承压边界。而可视化窗口位置采用定位装置机械精准定位，非胶封方式形成可视化窗口。定位装置机械精准定位的方式可以实时体现反应堆真实流体流动情况。
25.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为本发明由所提交的权力要求书确定专利保护范围。