基于激光多普勒測量的6×6棒束間湍流流動研究

俞 洋，汪昊楠，于 楠，熊進標，傅孝良，程 旭，楊燕華,

(1.上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240；2.國家核電技術有限公司 北京軟件技術中心，北京 100029；3.國家能源核電軟件重點實驗室，北京 102206)

?

基于激光多普勒測量的6×6棒束間湍流流動研究

俞 洋1，汪昊楠1，于 楠2,3，熊進標1，傅孝良2,3，程 旭1，楊燕華1,2,3

(1.上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240；2.國家核電技術有限公司 北京軟件技術中心，北京 100029；3.國家能源核電軟件重點實驗室，北京 102206)

采用3D激光多普勒測速裝置研究了6×6棒束間的流場分布。實驗選擇了5種工況進行研究，雷諾數范圍為6.6×103～7.03×104。其中6×6棒束試驗段幾何結構模擬相鄰組件的布置方式。實驗設置兩種測量模式，第1種模式選擇從試驗段側邊測量，獲得了距定位格架不同位置處的軸向速度和湍流強度的分布；第2種測量模式選擇從試驗段出口端面進行測量，獲得了出口截面子通道間的三維速度和雷諾應力分布。通過對比不同雷諾數下的實驗結果，分析了雷諾數對此次6×6棒束實驗的影響。比較發現在雷諾數為6.6×103的情況下，存在低雷諾數效應。

激光多普勒測速裝置；6×6棒束；三維流場；雷諾數效應

棒束是燃料組件常用的幾何結構，燃料棒產生的熱量由流經棒束的冷卻劑帶出堆芯。而燃料棒組件中子通道間流體的橫向交混引起的相鄰子通道間的質量、動量與能量交換對棒束與冷卻劑間的傳熱性能有強烈的影響。許多研究者從計算和實驗兩方面對棒束間的湍流流動展開過研究。文獻[1-2]用湍流模型研究了棒束流動特征。這些研究讓人們注意到計算中選取不同的湍流模型會給計算結果帶來很大的不一致性，因此用實驗驗證計算結果非常重要。文獻[3-4]使用熱線風速儀測量了棒束間子通道的軸向速度、湍流動能、壁面剪切應力等物理量。隨著測量技術的進步，新的激光測量方式也逐漸被應用到棒束流動的測量。文獻[5]采用二維粒子成像技術(PIV)研究了壓水堆堆芯流場中定位格架的影響。文獻[6]利用激光多普勒測速裝置(LDV)獲得了距定位格架不同位置處棒束間橫向速度的流場分布。本工作研究6×6棒束在等溫條件下的流場分布，實驗中采用5光束三維LDV，實驗獲得不同雷諾數下距定位格架不同位置處的軸向速度與湍流強度分布。

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗裝置

本次實驗采用的實驗回路如圖1所示，實驗裝置由主回路和冷卻回路組成。主回路上裝有兩臺并行布置的泵，根據實驗對流量的要求選擇合適的泵運行。主回路有兩種運行模式：開式和閉式。開式運行模式下，回路連通開式水箱，回路在常壓下進行。閉式模式可帶壓運行，這時開式水箱被隔離。本文實驗中，回路在開式模式下運行。實驗中流量通過安裝在試驗段管線的電磁流量計獲得，測量誤差在最大量程的1%范圍內。通過控制旁排閥與試驗段上的流量控制閥可實現流量的精確調節，精度可達0.1 m3/h。泵運行產生的熱量通過熱交換器傳給冷卻回路。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experiment apparatus

1.2 試驗段

本文研究了6×6棒束在等溫條件下的流場分布。6×6棒束試驗段水平放置，其幾何結構如圖2所示。整個棒束由上下對稱的兩部分組成，其間距為14.4 mm。每部分棒間距為12.6 mm，近壁面處棒束中心與壁面間的間距為7.2 mm。試驗段棒束長為1 509 mm、直徑為9.5 mm。在棒束前后分別裝有固定裝裝置，使棒束得到緊固。試驗段中間布置有兩個簡易定位格架，間距為478 mm，距入口最近的定位格架與入口距離為478 mm。定位格架沿流道方向的高度為30 mm。為討論方便，設定沿主流方向為y正方向；垂直向上為z正方向；原點定在棒束截面的左下角；從原點水平向右的方向為x正方向。

圖2 棒束幾何結構Fig.2 Geometry structure of rod bundles

試驗段三維圖如圖3所示，水經下端圓形管道從入口進入。為了減少入口效應的影響，在距入口上游10 cm處安裝了整流器。兩個對稱布置的出水口安裝在試驗段出口，以盡量減小出口效應的影響。實驗中測量區域如圖3所示，在試驗段的側面設有3個測量窗口，沿主流方向分別為MA-1、MA-2、MA-3。試驗段的出口端口設有1個測量窗口，為MA-4。整個試驗段中除了窗口為石英玻璃材料外，其余均為不銹鋼材質。

圖3 試驗段三維圖Fig.3 Three-dimensional view of test section

1.3 測量裝置

實驗中使用的LDV是由Dantec公司生產的5光束三維激光多普勒測速系統，此系統包括氬離子激光器、分光器、激光探頭、坐標系統、處理器等部件。氬離子激光器產生3種波長的激光：476.5 nm(紫光)、488 nm(藍光)、514.5 nm(綠光)。分光鏡將混合光依波長區分出來。激光探頭將1束藍光和1束綠光混合成1束光照射出來，這樣從激光探頭射出5光束。激光探頭的另一作用是信號接收器，接收激光經粒子反射后的信號。坐標系統是1套精確控制激光測量位置的坐標架，精度為0.01 mm。通過人工調光與軟件控制坐標架，實現了棒束間測量區域的精確定位。

測量時，5束激光相交形成橢球狀測量體，其長軸為激光出射的方向。本次實驗中使用的探頭焦距為310 mm，在水中，測量體是1個長軸為800 μm、2個短軸均為50 μm的橢球。激光的光束及測速方向LDV1、LDV2、LDV3如圖4所示，所測數據通過轉化后得到u、v、w方向的速度。實驗中每個測量點的采集時間設為50 s，或最大采集樣本數設為10 000。

圖4 激光速度分解方向示意圖Fig.4 Decomposition direction schematic of laser velocity

1.4 測量方法及數據處理方法

兩種測量模式下其測量區域如圖5所示。圖5a為側面測量模式下MA-1、MA-2和MA-3測量區域的測量位置示意圖。每個測量區域有4塊測量通道。由上向下依次標為T1、T2、T3、T4。其T1和T4測量通道中分布有108個測點，T2和T3測量通道中分布有135個測點。圖5b為端面測量模式下MA-4測量區域的測量位置示意圖。此測量區域9個子通道中分布有61個測點。

圖5 側面(a)和端面(b)測量區域Fig.5 Measurement area of side view (a) and outlet view (b)

本次實驗數據處理中，每一測點上的平均速度用這點上所有瞬時速度的平均值表示，即：

(1)

每一測點上的湍流強度用脈動速度的均方根代表，即：

(2)

2 結果與分析

本次實驗在5種雷諾數工況下進行，分別為6.6×103、1.32×104、2.64×104、5.27×104、7.03×104。這5種工況下，主流速度分別約為0.5、1、2、3、4 m/s。本文選擇雷諾數為2.64×104(即主流速度為2 m/s)的工況結果進行分析。

2.1 LDV測量數據的不確定性

在LDV測量中，如果采集的數據樣本不充裕，則可能產生系統性誤差。用εmean表示95%置信水平下的置信極限，εmean與采樣樣本N間的關系可通過下式表示：

(3)

其中：1.96為在95%置信區間下的置信極限因子；σμ為速度方差；Umean為平均速度。

當湍流強度小于50%時，平均速度的不確定度可被限制在0.5%。當平均速度趨向于0且湍流強度非常大時，如果需獲得較小的不確定度，則N需要非常大。因此，對于靠近壁面附近的采集點，由于采樣數較少，其不確定度較其他位置偏大。速度脈動均方根在95%置信水平下的置信極限εRMS與N的關系為：

(4)

因此，RMS的不確定度可被限制在0.7%。在一些靠近壁面的測量點上，由于采集樣本數較少，其不確定度較大。

測量數據的不確定度也受由測量得到的轉換矩陣的影響。通過對其敏感性研究發現，由轉換矩陣產生的軸向速度和湍流強度不確定度在1%范圍內。

2.2 定位格架下游的流動發展情況

在試驗段的MA-1、MA-2和MA-3位置進行了軸向速度與湍流強度的測量。圖6為Re=2.64×104工況下3個不同測量位置處獲得的軸向速度分布。圖7為Re=2.64×104工況下各測量位置不同測量區域中心線上的軸向速度分布。

從圖6可看出，在MA-1測量位置，定位格架的影響比較明顯。內部子通道中心處的最大速度達到主流速度的1.8倍。由于定位格架的影響，在定位格架下游，被定位格架阻擋的流體大部分從相鄰的子通道中流過，從而使這部分子通道中流速變大。在距定位格架更遠的下游處MA-2、MA-3測量區域，軸向速度在這兩個區域較MA-1區域分布均勻。在MA-2、MA-3測量區域，軸向速度最大處仍出現在內部子通道中心。軸向速度最小處出現在角通道區域。組件間子通道中的速度仍保持相對較低的速度。

圖6 定位格架下游軸向速度分布Fig.6 Distribution of axial velocity for grid space downstream

圖7 測量區域中心線軸向速度分布Fig.7 Distribution of axial velocity at the centreline of measured area

從圖7中z=39.6 mm處，即T1測量通道，可觀察到在MA-1處，軸向速度在x方向分布很不均勻，而隨著距定位格架越來越遠，這部分的軸向速度逐漸趨于平坦。在z=26.1 mm和z=13.5 mm時，MA-1處速度波動較大，其他測量點速度分布趨勢趨于穩定，受定位格架影響較小。

圖8為Re=2.64×104工況下軸向速度脈動均方根分布，即湍流強度分布。從圖8a可看出，在MA-1處，剪切流在子通道中心處產生了非常高的環狀湍流；在MA-2和MA-3處，靠近壁面附近的棒束間隙處存在有較強的湍流，其產生原因與之前不同，它是由于邊通道和相鄰的內部子通道存在有較大的速度梯度，從而產生大的湍流強度。而在子通道間的棒束間隙處不存在這類湍流。這表示內部子通道間的湍流交混較內部子通道與邊通道間的湍流交混弱。從圖中還可發現，組件間子通道中的湍流強度較內部子通道湍流強度小，緊密柵結構可很明顯地維持子通道中湍流強度。

圖9為Re=2.64×104工況下測量區域中心線軸向速度均方根分布。從圖9能很清楚地觀察到湍流強度分布趨勢，在MA-1處，由于射流的作用，各處湍流強度普遍較大。在MA-2、MA-3和MA-4處，由于邊通道和相鄰內部子通道間的速度梯度原因，在它們中間的棒束間隙處均存在較強的湍流強度。在定位格架下游的MA-2、MA-3測量區域，由定位格架附近的剪切流產生的湍流消失，但在棒束間隙，依然存在較大的湍流。

a——MA-1，y=55 mm；b——MA-2，y=170 mm；c——MA-3，y=285 mm

a——z=39.6 mm；b——z=26.1 mm；c——z=13.5 mm；d——z=1 mm

對于MA-3測量位置，由于其距定位格架較遠(285 mm)，可將此位置的流動情況認為是充分發展的棒束流動。用實驗研究了不帶格架的棒束流動中經過充分發展的湍流流動[7]。實驗中還觀察到棒心距P與棒束直徑D的比值P/D越小，棒束間隙或子通道中湍流強度越大[7]。其實驗觀察到棒束間隙處的湍流強度較子通道中心處的湍流強度更劇烈的現象，其結論與本文實驗結果相符。

2.3 三維流場分布

在MA-4位置，從端面測量了9個子通道中的流場，MA-4位置處定位格架的影響很小。由于試驗段橫截面具有對稱性，根據實驗中測量的9個子通道中的速度，通過對稱的方法獲得了整個MA-4截面上的子通道中的速度分布。圖10為Re=2.64×104工況下以矢量形式表示的截面橫向平均流速。從圖10可發現，截面中存在橫向流動，流動方向是從邊通道流向內部子通道，從棒束間隙處流向內部子通道中心。產生這種橫向速度流動的原因是出口處的固定支架。出口處固定支架的示意圖如圖5b所示，這種結構會使靠近出口截面的子通道中產生不同的壓降，從而驅使流體流向無障礙的棒束出口。出口固定支架的不對稱，也使出口端的流場呈現出輕微的不對稱性。實驗中其他雷諾數下的工況同樣出現上述趨勢。

圖10 測量子通道上的橫向平均流速Fig.10 Mean lateral flow velocity in measured subchannel

在端面測量實驗中，9個子通道中的三維速度分量已經獲得，可根據下式計算單位質量流體的湍動能。

(5)

由式(5)計算得到的湍動能經歸一化后得到的分布如圖11所示(Re=2.64×104)。從圖中可看出，棒束的邊緣處湍動能較大。9個子通道中，湍動能相對較小。其中，距壁面越近的棒束間隙處湍動能較內部棒束間隙處的湍動能稍大，組件間子通道中湍動能較其他內部子通道中湍動能小。因此，在維持棒束間高湍動能方面，P/D的影響非常重要。

圖11 測量子通道上的湍動能Fig.11 Turbulent kinetic energy in measured subchannel

2.4 雷諾數的影響

通過對不同雷諾數工況下的實驗結果進行分析，研究了雷諾數對此次6×6棒束實驗的影響。為了能直觀地觀察到雷諾數的影響，圖12、13選擇了3條水平線上的點來展現這些關系。由于截面具有對稱性，實驗中部分子通道的數據進行了對稱處理。速度和湍流強度根據主流速度進行了歸一化處理。從軸向速度和軸向湍流強度圖中看到在Re=6.6×103工況下，出現低雷諾數效應。在此工況中組件間子通道中的軸向速度和軸向湍流強度較其他子通道中相對較大。此低雷諾數效應在邊通道和相鄰的內部子通道中間的棒束間隙處表現很明顯。在這一區域，Re=6.6×103工況下的軸向速度相對其他高雷諾數時較大。在5個工況中，發現組件間子通道中的速度分布較其他部分子通道中的速度分布均勻。

圖12 子通道中心3條水平線上歸一化軸向速度Fig.12 Normalized axial velocity along three horizontal lines through subchannel centres

圖13 子通道中心3條水平線上歸一化軸向速度脈動均方根Fig.13 Normalized axial RMS velocity along three horizontal lines through subchannel centres

3 結論

本次實驗采用三維LDV測量了6×6棒束間的流場。其中，從側面窗口采用3光束兩維模式測得距定位格架不同位置處的軸向速度和軸向湍流強度分布。從出口端面視窗，采用5光束三維測量模式得到了出口端面處的三維流場。

從側面測量模式結果可看出，在定位格架下游處，流動截面上速度分布不均勻性非常強烈，剪切應力在子通道中心產生環狀高湍流強度。在距定位格架稍遠處，由于相鄰子通道中的速度差異，在邊通道和內部子通道的交接處產生較大的湍流強度。

從出口端面測量結果可看出，端面中存在很強的橫向流動，方向為從邊通道向內部子通道，且橫向流動趨勢逐漸減小。在組件間子通道中，速度分布趨于均勻。對不同雷諾數下的實驗結果進行對比分析后發現，雷諾數的影響較小。在Re=6.6×103的工況下，存在低雷諾數效應。

[1] LIU C C, FERNG Y M, SHIH C K. CFD evaluation of turbulence models for flow simulation of the fuel rod bundle with a spacer assembly[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 40: 389-396.

[2] 田瑞峰,毛曉輝,王小軍. 湍流模型在定位格架棒束通道流動的數值研究[C]∥中國核學會2009年學術年會論文集. 北京：原子能出版社，2009.

[3] KRAUSS T, MEYER L. Characteristics of turbulent velocity and temperature in a wall channel of a heated rod bundle[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1996, 12(1): 75-86.

[4] SEALE W J. Measurements and predictions of fully developed turbulent flow in a simulated rod bundle[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1982, 123: 399-423.

[5] DOMINGUEZ-ONTIVEROS E E, HASSAN Y A, CONNER M E, et al. Experimental benchmark data for PWR rod bundle with spacer-grids[J]. Nuclear Engineering and Design, 2012, 253: 396-405.

[6] CONNER M E, HASSAN Y A, DOMINGUEZ-ONTIVEROS E E. Hydraulic benchmark data for PWR mixing vane grid[J]. Nuclear Engineering and Design, 2013, 264: 97-102.

[7] ROWE D S, JOHNSON B M, KNUDSEN J G. Implications concerning rod bundle cross flow mixing based on measurements of turbulent flow structure[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1974, 17(3): 407-419.

Laser Doppler Measurement on Turbulent Flow in 6×6 Rod Bundles

YU Yang1, WANG Hao-nan1, YU Nan2,3, XIONG Jin-biao1,FU Xiao-liang2,3, CHENG Xu1, YANG Yan-hua1,2,3

(1.SchoolofNuclearScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.StateNuclearPowerSoftwareDevelopmentCenter,Beijing100029,China;3.NationalEnergyKeyLaboratoryofNuclearPowerSoftware,Beijing102206,China)

The experiment investigation on the turbulent flow in a 6×6 rod bundles was conducted with three-dimensional laser Doppler velocimetry (LDV). Five cases were selected to carry out the experiments at theReranging from 6.6×103to 7.03×104, in which the geometry of the 6×6 rod bundles was used to simulate the layout of two adjacent fuel assemblies. There are two LDV measuring positions in the experiment. One is the side view of the experiment facility where the axial velocity and turbulence intensity at different distances from grid spacer were obtained. The other measuring position is at outlet of the rod bundle where three-dimensional velocity distribution and Reynolds stress distribution were measured. By comparing the results at differentRe, the influence ofReon the experiment was analyzed. The low Reynolds number effect is found withRe=6.6×103.

laser Doppler velocimetry; 6×6 rod bundles; three-dimensional flow field; Reynolds number effect

2014-03-21;

2014-05-09

國家科技重大專項資助項目(2011ZX06004-024)

俞 洋(1988—)，男，江蘇海門人，碩士研究生，核能科學與工程專業

TL332

A

1000-6931(2015)07-1200-08

10.7538/yzk.2015.49.07.1200