棒束通道內溫度場分布特性研究

米爭鵬，譚思超，鄒思遠，邱志方，朱大歡，張 丹，鄧 堅，蔡 容,吳菱艷

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213；2.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

隨著陸上核電站及海上核設施的大力發展，對當前核技術和核安全水平提出了更高的要求，特別是海上核動力設施，面臨著更加惡劣的運行環境，更需要明確核設施運行特性與海洋條件之間的耦合效應，準確把握核設計的關鍵點，保證海上核設施的安全運行。流動不穩定性對反應堆安全提出了更高的要求[1]，如海洋條件影響、主泵轉速的變化等都會引起反應堆內冷卻劑的流量波動，而脈動流是一種實驗研究中常見到的典型流動不穩定性現象[2-4]，本文就穩態流和脈動流下棒束通道內溫度分布進行研究。

目前，數值計算方法是核反應堆系統特性研究的重要手段，涵蓋了反應堆冷卻劑熱工水力特性、系統運行特性以及事故工況下安全特性等方面的研究[5-8]。同時眾多學者也開展了對反應堆系統參數等方面的實驗研究，包括對溫度、壓力、流速等參數的測量。可視化技術的出現，突破了結構限制測量的局限性，可實現對復雜結構內流場、溫度場的準確、無擾測量，同時該技術響應時間短，能實時顯示測量結果，對掌握熱工水力現象機理、評估結構設計性能有重要作用。本文將采用可視化實驗技術——激光誘導熒光(LIF)技術[9]對棒束通道溫度場進行測量。

LIF技術的原理是：染色劑分子在吸收到一定能量的激光后，會發生躍遷-退激過程，在退激過程會發射出特定波長的熒光，以此來進行溫度、濃度的實時反饋。目前LIF技術在濃度、溫度分布的全場測量方面體現出巨大優勢，相關學者采用該技術對射流流場濃度分布、矩形通道溫度分布等進行了研究[10-11]。但由于LIF技術對實驗回路布置、光學系統以及后處理技術有較高的要求，因此對復雜通道的測量難度較大，需要解決的難點較多[12]，因此本文擬對LIF技術難點進行分析研究，探索出一套適用于LIF技術測量復雜結構溫度場分布的技術方案，并對棒束通道溫度場進行測量，獲得不同流動條件下的溫度分布。

1 實驗系統

實驗在哈爾濱工程大學搭建的實驗系統上進行[13]，實驗回路示意圖如圖1所示。實驗回路包括循環水箱、離心泵、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、過濾器及棒束實驗段。實驗過程分為標定和測量兩部分，需要獲得溫度與熒光強度的擬合曲線，并利用該曲線對加熱工況下溫度分析進行反饋。實驗中采用2臺高速攝影儀實時獲取溫度分布數據，在每臺攝影儀前放置不同波長范圍的濾光片，采集不同的熒光段，保證能進行比值處理，提高溫度敏感性和數據的準確性。實驗本體橫截面示于圖2，棒直徑為9.5 mm，棒間距為12.6 mm，當量直徑Dh為9.6 mm，加熱棒選用不銹鋼棒，長度與棒束相同，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)，可減少折射導致的圖像畸變現象。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)，實驗環境為常溫常壓，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，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。實驗中布置3個定位格架，間隔約24 cm，為保證消除入口效應，第1個格架布置于距入口約40 cm處，數據獲取在第3個定位格架下游。流量的變化由泵控系統控制，通過改變泵的轉速，實現流量的改變。

圖1 實驗回路示意圖Fig.1 Schematic of test loop

圖2 系統示意圖Fig.2 Schematic of system

2 技術難點與解決方案

LIF技術屬于高精度測量，其測量的準確性、后處理的準確性都對結果有很大的影響。本文針對光學特性、示蹤染色劑特性以及后處理技術等方面，分析其影響因素，并提出改進方法。

1) 光學特性

激光診斷技術對光學回路的要求較高，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，影響實驗測量，另一方面，要保證穩定的激光特性，選擇合適的激光強度，從而產生足夠的熒光強度，但過大的熒光強度會產生光漂白作用，影響染色劑特性。經驗證，6 800～8 300 W/m2是本實驗合適的激光強度，同時要保證空間上光強分布均勻、時間上光強保持恒定，從設備、處理方法上有效消除激光的高斯分布和沿程損失，另外，外界環境也會影響激光的穩定性，要避免強光、震動等的外界干擾。欲保證實驗獲得的熒光強度由染色劑產生，還需要使用濾光片，濾光片的選擇要避開激光的光強范圍，僅使得相應波長范圍內的熒光能通過。

2) 示蹤染色劑特性

示蹤染色劑的特性是LIF技術的關鍵，合理地選擇示蹤染色劑，可保證實驗的成功、數據的準確。首先，要保證示蹤染色劑有良好的光學特性，包括光強特性、光敏感特性，特別是要匹配激光波長范圍與示蹤染色劑可吸收波長范圍，這樣當激光照射流場內后，反射出的激光才能被捕捉。其次，要保證示蹤染色劑穩定性，在長時間激光照射情況下，保證反射的熒光強度保持不變。本文采用羅丹明B(Rhb)和Fl27兩種染色劑，并針對兩種染色劑的穩定性、溫度敏感性、最佳實驗濃度等進行了分析，結果列于表1。表1表明，這兩種染色劑具有較好的光學效果，與激光波長范圍匹配，具有較大的熒光光強。

表1 染色劑特性Table 1 Characteristics of fluorescent dye

3) 后處理技術

通過LIF技術獲得的實驗數據，需要進行后處理才能保證真實反映溫度分布，整個后處理過程包含匹配-降噪-標定-重構4個步驟。在實驗測量過程中，2臺高速攝影儀拍攝的圖像會存在視角、尺寸的不同，因此需進行圖像匹配，即構建一系列空間變換技術-投影變換，建立有效的匹配算法，將同一時刻圖像進行匹配，如式(1)[14]所示；降噪過程要對測量數據進行平滑處理，消除奇點，由于棒束結構的復雜性，采用式(2)的計算方法，既能減少背景光的干擾、降低噪聲影響，同時也能增強溫度敏感性，此時溫度敏感性能達到2.5%/℃；在標定和重構中均采用點對點的方式，針對圖像中的每個像素點進行曲線擬合，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，本實驗中擬合曲線的殘差分布基本在±5%以內。

I2(x,y)=G(I1(H(x,y)))

(1)

其中：I1(x,y)和I2(x,y)為坐標點(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變換，即(x′,y′)=H(x,y)。

(2)

其中：C(t)為后處理結果；Ci(Rhb)、Ca(Rhb)分別為羅丹明B的實驗測量值和背景值；Ci(Fl27)、Ca(Fl27)分別為Fl27的實驗測量值和背景值。

3 實驗現象與結果分析

3.1 穩態流溫度分布

采用LIF技術獲得不同流動工況下的實驗數據，經過后處理技術加工，進而可直觀展現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較高，兩側沒有加熱棒，溫度相對較低，單根棒加熱時，靠近加熱棒的通道位置，會出現明顯的熱流體團上升現象，如圖3a中標記處。流體在加熱棒附近被加熱，溫度變化導致密度變化，LIF技術可直觀地展示熱流體團的變化情況。單排棒加熱時，可觀察到在中間位置處，溫度仍是最高的，兩側相對較低，且能看到明顯的溫度變化趨勢，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，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 脈動流溫度分布

對脈動流下瞬態溫度分布特性進行測量，分析流量波動和定位格架共同作用下棒束通道內溫度的分布情況。實驗中脈動流流量采用正弦波動，流量中值為0.7 m3/h，脈動周期t0分別選取5、8、10 s，波動幅值γ為0.3，通過對高速攝影儀獲取的圖像進行處理，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表示實驗初始時刻。

圖3 穩態流下溫度分布Fig.3 Temperature distribution of steady flow

圖4 t0=5 s、γ=0.3時脈動流下溫度分布Fig.4 Temperature distribution of fluctuating flow at t0=5 s and γ=0.3

圖5 t0=8 s、γ=0.3時脈動流下一周期內溫度分布Fig.5 Temperature distribution of fluctuating flow at t0=8 s and γ=0.3

從圖4可看出，脈動流工況下的溫度分布基本與穩態流時的類似，由于圖4屬于瞬態下溫度分布云圖，與穩態時均下溫度分布云圖相比，受到渦流、橫流等流動不穩定性的影響，溫度波動和變化趨勢更清楚地顯示出來。從圖4、5所示溫度分布云圖可看到溫度隨流量波動的變化，特別是在中間區域，這種變化主要是受脈動流量的影響，使溫度出現周期性波動。在穩態條件下，棒束通道內溫度分布主要受定位格架的影響，在非穩態條件下，受到脈動流的影響，棒束通道內流體出現加減速變換，破壞了流動邊界層，使得熱擴散加劇，在流速波動和攪混作用下，溫度分布的變化趨勢更明顯。

3.3 溫度分布特性

對于棒束通道內的溫度分布特性，可從時均化和瞬態的角度出發，以溫度波動來評價定位格架的攪混作用、流量波動及加熱使得棒束通道內流體的溫度隨時間波動，同時考慮溫度均值和瞬時溫度分布信息，提出了棒束通道內溫度波動的計算公式：

(3)

(4)

不同高度處的溫度波動示于圖6。從圖6可見，穩態流和脈動流下溫度波動變化存在明顯不同。對于穩態流，在棒束通道徑向不同位置處，溫度波動的變化相對較小，而在脈動流時，溫度的波動存在很大差異，在中間加熱棒位置處，溫度波動較大，且脈動周期越長，溫度波動越大。對比定位格架下游3Dh和7Dh處的溫度波動，特別是脈動流下，靠近格架位置處的波動較大，且相同高度處的溫度波動差別也較大。棒束通道內定位格架的攪混作用使得穩態流下溫度波動存在差異，而脈動流的周期性流動和攪混作用的疊加，會增加通道內溫度波動，因此會使脈動流下溫度波動變大。脈動周期較大，導致波動持續時間長，溫度波動值也隨之變大。這主要是由于攪混作用和流量脈動的影響，破壞了流動邊界層，進而加強了棒束通道內的流動換熱。

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

圖7為棒束通道中間位置不同流動工況下的溫度波動。從圖7可看出，穩態流和脈動流下溫度波動趨勢基本類似。穩態流時，在靠近格架處，溫度波動數值呈增長趨勢，約在格架下游(3～4)Dh處達到最大值，之后逐漸降低，降幅較小，且在棒束間隙和子通道內溫度波動也基本類似。脈動流時，在靠近格架處，溫度波動也會呈增長趨勢，最大值更靠近格架，約在(2～3)Dh處，遠離格架時，也會出現溫度波動。這主要是由于攪混翼會產生橫向流動和湍流脈動，而脈動流主要會產生沿軸向方向的流動作用，在靠近格架時，會產生兩種作用的疊加效應，使得溫度波動較穩態流時大，且溫度波動峰值更靠近格架。在遠離格架的位置，格架的攪混能力減弱，而脈動流的作用仍存在，使得下游的溫度波動會存在起伏。穩態流時，溫度波動主要受定位格架攪混效應和熱驅動的影響，因此溫度波動的變化趨勢很規律，而脈動流時，定位格架攪混效應與流量變化的疊加會導致溫度波動變大，且在遠離格架時，流量波動的影響仍存在。

圖7 中間棒束間隙處溫度波動Fig.7 Temperature fluctuation at middle channel

結合定位格架在該截面處的攪混翼分布對上述現象進行分析，攪混翼分布如圖8所示，該截面處定位格架有2個朝向右側的攪混翼，1個朝向左側的攪混翼，導致出現圖3所示的溫度分布，同時由于棒2位置處溫度相對較高，2個攪混翼斜對稱布置，增加了其攪混能力，熱量能及時被帶走，而棒1和棒3位置處的攪混翼，增加了橫向流動，也能及時將加熱棒產生的熱量傳遞給流體，因此會出現圖6所示的溫度波動分布。

圖8 攪混翼示意圖Fig.8 Schematic of mixing vane

4 結論與展望

本文采用LIF技術對棒束通道內穩態流和脈動流下溫度分布特性進行了研究，主要得到以下結論。

1) 通過對系統光學特性、染色劑特性、后處理技術的評價與優化，得到了LIF技術在溫度場測量時所需的關鍵參數。

2) 獲得了穩態流和脈動流下棒束通道內溫度分布情況，采用溫度波動因子，對溫度分布特性的影響進行了評價，穩態流時，溫度波動約在格架下游(3～4)Dh處達到最大值，之后會逐漸降低，脈動流時，溫度波動約在(2～3)Dh處達到最大值，遠離格架時，溫度波動也會出現明顯變化。

3) 結合定位格架上攪混翼的分布，對溫度分布進行了分析，有助于對定位格架性能的評價。