定位格架下游湍流特性測量研究

曲文海，陳仕龍，黃慧劍，熊進標

(1.上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240；2.中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610213)

典型壓水堆核燃料組件中安裝了數(shù)個帶交混翼的定位格架，既能支撐棒束燃料組件，亦能增強子通道內(nèi)部和子通道之間的二次流和湍流脈動。子通道程序亟需精確的子通道交混模型[1-2]。CFD模擬是燃料組件設(shè)計的重要方法之一，可用于研究格架交混效應(yīng)，但仍需大量實驗數(shù)據(jù)驗證[3-5]。

Xiong等[6-7]使用激光多普勒測速儀測量了3×3和6×6棒束內(nèi)的三維流場，并討論了雷諾數(shù)效應(yīng)。Wang等[8-9]在水和氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)折射率補償技術(shù)基礎(chǔ)上測量了光棒束內(nèi)軸向流場，并用CFD方法模擬棒束通道內(nèi)流場。以上研究揭示了光棒束通道內(nèi)的湍流特征。Nguyen等[10-12]使用基于水和FEP折射率補償技術(shù)的三維粒子成像測速儀(PIV)測量了5×5棒束通道內(nèi)定位格架下游的流場，獲得一個縱截面上三維速度場和湍流特征。Chang等[13-14]使用激光多普勒測速儀(LDV)測量了分流型交混翼和旋流型交混翼定位格架下游橫向速度場，獲得了交混翼產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)特征和湍流脈動特征。Li[15]使用水和FEP折射率補償技術(shù)輔助PIV測量定位格架下游的軸向和橫向流場，獲得了格架下游流場特征。Kim等[16]使用PIV方法和基于有機玻璃與碘化鈉水溶液的折射率補償技術(shù)，測量了4×6棒束通道內(nèi)的縱向速度場。為從光路上消除常規(guī)PIV測量中存在的視角誤差，Xiong等[17]使用遠心鏡頭測量格架下游橫向流場。Qu等[18-20]對基于FEP和水折射率補償技術(shù)的二維PIV方法，進行了系統(tǒng)的誤差和不確定度分析，在此基礎(chǔ)上獲得了定位格架下游的橫向流動和湍流沿程變化特征以及雷諾數(shù)效應(yīng)，并開發(fā)了滑移式壓降測量系統(tǒng)，獲得了子通道橫向壓降。Xiong等[21]基于流場和壓降實驗數(shù)據(jù)，開發(fā)了子通道交混模型和阻力模型。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文使用基于FEP和水折射率補償技術(shù)的二維PIV方法，獲得不同雷諾數(shù)下棒束通道內(nèi)定位格架下游多個橫截面上的高精度精細化橫向流場實驗數(shù)據(jù)，分析定位格架下游橫向湍流特征和雷諾數(shù)效應(yīng)。

1 實驗裝置

本實驗在上海交通大學中型熱工水力回路上開展，該回路包括一個實驗回路和輔助的冷卻回路。5×5棒束實驗段和PIV布置如圖1所示，棒直徑D=9.5 mm，棒間距P=12.6 mm，子通道水力直徑Dh=11.78 mm。三維坐標系定義如圖1c、d所示，坐標原點位于格架條帶上平面的中心棒圓心，z軸與中心棒軸線重合，正方向沿著主流方向，x軸與y軸沿水平方向。棒束上安裝了1個交混翼傾角30°的定位格架，定位格架交混翼的設(shè)計參考了文獻[22]中的交混翼設(shè)計思想，尺寸如圖2所示。PIV系統(tǒng)包括1臺30 mJ高頻激光器(最高頻率為10 kHz)，1臺1 280×800像素高速相機(最高頻率為7 400 Hz，像素尺寸dr=20 μm)，1臺200 mm定焦鏡頭，1臺三維位移平臺(行程1 000 mm、1 000 mm、600 mm，精度0.01 mm)，1臺同步器和1套PIV圖像處理軟件。示蹤粒子為直徑dp=20 μm的聚苯乙烯基吡啶樹脂(PSP)粒子。實驗在暗室中進行，橫向速度測量時光學系統(tǒng)圖像放大倍數(shù)M=0.6，激光面厚度Δz=3 mm。縱向速度測量時光學系統(tǒng)圖像放大倍數(shù)M=0.4，激光面厚度Δz=1 mm。橫向測量面位于z=1Dh～28Dh范圍，覆蓋中心棒周圍的4個中心子通道，橫向空間分辨率為0.275 mm。縱向測量面位于y=-1.5P截面上，覆蓋z=1Dh～25Dh的范圍，空間分辨率為0.32 mm。實驗段進口壓力為0.15 MPa，溫度為25 ℃，4個試驗工況的主流平均速度Wb分別為0.5、1、2和3 m/s，對應(yīng)子通道雷諾數(shù)分別為6 600、13 200、26 400、39 600。定義三維坐標系原點于格架條帶頂部平面的中心棒圓心處。

a——橫截面測量PIV布置；b——縱截面測量PIV布置；c——縱截面位置；d——格架局部；e——棒束橫截面

a——格架尺寸；b——交混翼尺寸

2 實驗結(jié)果分析

三維平均速度、脈動速度均方根定義如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：U、V、W分別為x、y、z方向的平均速度；ui、vi、wi分別為x、y、z方向的瞬時速度；N為采樣數(shù)量；Urms、Vrms、Wrms分別為x、y、z方向的脈動速度均方根。對平均速度和脈動速度均方根以Wb進行歸一化。

2.1 誤差和不確定度分析

系統(tǒng)誤差主要為視角誤差和當?shù)厮俣忍荻日`差[18]，隨機誤差主要為粒子出平面運動誤差，湍流統(tǒng)計量還存在采樣數(shù)量誤差。糾正系統(tǒng)誤差后，湍流統(tǒng)計量不確定度由粒子出平面運動誤差和采樣數(shù)量誤差決定。平均速度和湍流脈動速度均方根的測量結(jié)果最大不確定度小于1%的主流平均速度。

視角誤差εp的計算公式為：

(7)

式中：|Vout|為垂直于測量面的速度分量；z0為相機的物距。

粒子出平面運動誤差εout的計算公式為：

(8)

式中：Δt為激光脈沖間隔時間，即瞬時速度測量時間；Δz為激光厚度。

平均速度和脈動速度均方根的采樣數(shù)量誤差εN，V、εN,Vrms的計算公式為：

(9)

(10)

為使采樣數(shù)量誤差降低到1%Wb以內(nèi)，采樣數(shù)量取為N=5 000。經(jīng)過系統(tǒng)誤差糾正，平均速度不確定度εV由采樣數(shù)量誤差決定，脈動速度均方根不確定度εVrms由粒子出平面運動誤差和采樣數(shù)量誤差決定：

(11)

(12)

2.2 橫向流場分析

Re=39 600工況下，定位格架下游橫向流場如圖3所示。在z=1Dh處，1對分流型交混翼在子通道內(nèi)產(chǎn)生了1對同轉(zhuǎn)漩渦對和繞棒橫向速度，U峰值約為40%Wb，V峰值約為30%Wb。隨著流動發(fā)展，子通道內(nèi)1對漩渦逐漸耗散擴大融合，在z=5Dh處形成1個覆蓋子通道的大漩渦，U峰值約為25%Wb，V峰值約為28%Wb。在z=10Dh處，U峰值約為15%Wb，V峰值約為12%Wb。該漩渦在沿程發(fā)展中逐漸減弱消失。在z=28Dh處，U、V峰值約為5%Wb，橫向速度分布趨于光棒束充分發(fā)展。

a——z=1Dh；b——z=5Dh；c——z=10Dh；d——z=28Dh

縱截面y=-1.5P上的橫向速度如圖4a所示，相鄰兩個子通道內(nèi)正交布置的交混翼片產(chǎn)生方向相反的橫向速度。最大橫向速度出現(xiàn)棒間隙處，子通道中心附近橫向速度較小，橫向速度向下游逐漸衰減。在z=1Dh～5Dh區(qū)域，橫向速度大小顯示出子通道內(nèi)雙渦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螠u結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，隨后逐漸耗散。縱截面y=-1.5P上的橫向脈動速度均方根如圖4b所示，在0～1Dh區(qū)域，橫向脈動速度均方根分布與交混翼分布一致。在z=1Dh處，橫向脈動速度均方根分布與二次流雙渦結(jié)構(gòu)一致，Urms有兩個峰值出現(xiàn)在子通道內(nèi)，約為32%Wb。在z=1Dh～5Dh區(qū)域，橫向脈動速度均方根隨著子通道內(nèi)雙渦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螠u結(jié)構(gòu)而迅速耗散，在z=2Dh處，Urms峰值約為35%Wb；在z=5Dh處，Urms峰值約為15%Wb。隨后橫向脈動速度均方根緩慢耗散。

圖4 Re=39 600時縱截面上的橫向速度(a)與橫向脈動速度均方根(b)

橫向脈動速度均方根分布如圖5、6所示，分布模式與渦結(jié)構(gòu)分布一致。在z=1Dh處，橫向脈動速度均方根峰值出現(xiàn)在雙渦結(jié)構(gòu)處，因為渦結(jié)構(gòu)內(nèi)強剪切流動產(chǎn)生了強湍流脈動，Urms峰值約為20%Wb，Vrms峰值約為25%Wb。隨著雙渦結(jié)構(gòu)耗散，橫向湍流脈動急劇降低。在z=5Dh處，單渦結(jié)構(gòu)在子通道中心產(chǎn)生強湍流脈動，并逐漸耗散，Urms峰值約為12.5%Wb，Vrms峰值約為12%Wb。橫向脈動速度分量呈現(xiàn)出與交混翼分布一致的棋盤式分布。在z=28Dh處，Urms峰值約為4%Wb，Vrms峰值約為3%Wb，橫向脈動速度趨于光棒束充分發(fā)展分布。

a——z=1Dh；b——z=5Dh；c——z=10Dh；d——z=28Dh

a——z=1Dh；b——z=5Dh；c——z=10Dh；d——z=28Dh

2.3 軸向流場分析

定位格架下游1Dh～12Dh的軸向平均速度如圖7a所示。在格架近場，交混翼顯著改變了軸向速度分布。在x∈[0,1]范圍子通道內(nèi)，軸向速度在交混翼根部受到指向x軸的交混翼片阻礙顯著減小，隨后沿著交混翼片方向逐漸增大，在子通道中心(x=0.5P)達到峰值。在x∈[-1,0]范圍子通道內(nèi)，由于交混翼片指向y軸方向，軸向速度未受到交混翼片的阻礙而在子通道中心達到峰值，軸向速度在棒間隙(x=0P)處受交混翼根部阻礙出現(xiàn)谷值。在z=1Dh處，軸向速度峰值位于子通道中心附近，約為117%Wb，最小值位于棒間隙附近，約為85%Wb；在z=2Dh處，軸向速度峰值位于子通道內(nèi)，約為108%Wb，最小值位于棒間隙附近，約為90%Wb；在z=5Dh處，軸向速度峰值位于子通道中心附近，約為110%Wb，谷值位于棒間隙附近，約為95%Wb；在z=10Dh處，軸向速度峰值位于子通道中心附近，約為105%Wb。

圖7 y=-1.5P、Re=39 600的歸一化軸向平均速度(a)和脈動速度均方根(b)

定位格架下游1Dh～12Dh的軸向脈動速度均方根分布如圖7b所示。在格架近場，軸向脈動速度均方根分布與交混翼方向一致，并在棒間隙附近達到峰值，在子通道中心附近的值較小。隨著流動發(fā)展，軸向脈動速度均方根迅速衰減。在z=1Dh處，軸向脈動速度均方根峰值在棒間隙處，約為20%Wb，谷值位于子通道中心，約為15%Wb。在z=1Dh～5Dh范圍，軸向脈動速度均方根迅速耗散，隨后緩慢耗散。在z=2Dh處，軸向脈動速度均方根峰值位于棒間隙處，約為18%Wb，谷值位于子通道內(nèi)，約為12%Wb；在z=5Dh處，軸向脈動速度均方根峰值位于棒間隙處，約為15%Wb，谷值位于子通道中心，約為10%Wb；在z=10Dh處，軸向脈動速度均方根峰值位于棒間隙處，約為15%Wb，谷值位于子通道中心，約8%Wb。

2.4 雷諾數(shù)效應(yīng)

雷諾數(shù)效應(yīng)如圖8、9所示，在格架近場，格架交混效應(yīng)強于雷諾數(shù)效應(yīng)，掩蓋了雷諾數(shù)對橫向速度的影響。隨著流動發(fā)展，格架交混效應(yīng)衰減，雷諾數(shù)效應(yīng)逐漸表現(xiàn)出來。總體上隨雷諾數(shù)的增加，橫向平均速度增大，橫向脈動速度均方根減小，并趨于雷諾數(shù)無關(guān)的自模化區(qū)。雷諾數(shù)效應(yīng)對脈動速度均方根的作用更明顯。如圖8所示，在z=1Dh處，各雷諾數(shù)下橫向平均速度相差無幾；在z=5Dh處，橫向平均速度隨著雷諾數(shù)增大而增大，Re=6 600時最大橫向平均速度為20%Wb，而Re=39 600時最大橫向平均速度為23%Wb；在z=10Dh處，橫向平均速度隨著雷諾數(shù)增大而增大，Re=6 600時最大橫向平均速度為10%Wb，而Re=39 600時最大橫向平均速度為16%Wb；在z=28Dh處，橫向平均速度隨著雷諾數(shù)增大而增大，Re=6 600時最大橫向平均速度為5%Wb，Re=39 600時最大橫向平均速度為7.5%Wb。如圖9所示，在子通道中心線y=0.5P上，在z=1Dh、5Dh、10Dh處，橫向脈動速度均方根無明顯的雷諾數(shù)效應(yīng)。在z=28Dh處，橫向脈動速度均方根隨著雷諾數(shù)的增大而減小。

a——z=1Dh；b——z=5Dh；c——z=10Dh；d——z=28Dh

a——z=1Dh；b——z=5Dh；c——z=10Dh；d——z=28Dh

本文實驗獲得了豐富的橫向流場和湍流脈動場的實驗數(shù)據(jù)，能夠解釋定位格強化子通道交混的機理，能夠用于開發(fā)精細的子通道交混模型，為子通道分析程序提供基于實驗數(shù)據(jù)庫的交混模型，提高子通道分析程序的預(yù)測能力和精度。

3 結(jié)論

本文使用基于水和FEP折射率補償技術(shù)的二維PIV方法，在4個不同雷諾數(shù)下測量帶交混翼格架的5×5棒束通道內(nèi)橫向流場，得到以下結(jié)論：1)定位格架下游二次流結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了雙渦結(jié)構(gòu)向單渦結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變及單渦結(jié)構(gòu)衰減過程，湍流統(tǒng)計量沿程變化均受渦結(jié)構(gòu)演進影響；2)橫向平均速度和脈動速度均方根受雷諾數(shù)效應(yīng)和格架交混效應(yīng)影響，格架近場以格架交混效應(yīng)影響為主，格架遠場以雷諾數(shù)效應(yīng)影響為主。