加熱棒束通道絲網傳感器兩相流探測方法及影響因素研究

中圖分類號：TL352 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）07-075-10

Study on two-phase flow detection method and influencing factors of wire mesh sensor in heating rod bundle channel

ZHOU Yang， ZHOU Wenxiong，TAN Xubin，PAN Liangming （a.KeyLoratoryofLow-grade Energy Utilization Technology and System，MinistryofEducation;b.Schoolof Energy and Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 40oo44， P.R.China）

Abstract：The analysis of gas-liquid two-phase characteristics in heating rod bundle channels is critical for ensuring the safe operation of nuclearreactors.While experimental methods are commonly usedto investigate twophase flow in rod bundle channels， wire mesh sensors are typically applied under room temperature conditions and have seen limited use in electrically heated rod bundle experiments.This study employs the electrostatic field method in finite element simulation software toanalyze the influenceof electric fieldinelectrically heatedrod bundle channels on wire mesh sensor measurements.The simulation results are verified by experiments.Both the simulationandexperimentalresultsshow that，withinachargedrod bundlechannel，an increase intheexcitation voltage applied to the transmiting electrode enhances the sensor’s sensitivity to gas-liquid two-phase flow，thereby improving its detection capability. Imaging experiments conducted under a 20V excitation voltage confirm the feasibility and effectiveness of wire mesh sensor measurements under such conditions.

Keywords： rod bundle; two phase flow;wire mesh sensor; finite element method

棒束通道是傳統反應堆（如壓水堆）堆芯的基本結構，其運行過程中通過對流換熱的方式帶走燃料棒束中產生的熱量。在棒束通道內可能出現過冷沸騰2，而過冷沸騰引起的兩相流動對堆芯換熱效率和安全性影響較大，所以需要對加熱棒束通道中的氣液兩相特性展開研究。

由于加熱棒束通道內處于高溫環境，大部分測量裝置無法使用。目前，加熱棒束通道實驗使用的測量技術多是基于非侵入式測量技術3，Arai等使用高能X射線斷層掃描系統獲取到了 5×5 加熱棒束在 0.1～ 7.2MPa 壓力范圍內的空泡份額分布，但復雜的布置方式及昂貴的設備極大地限制了這些方法的應用。隨著技術的發展，光纖探針作為一種侵入式傳感器也被應用到了加熱棒束通道實驗中，Bak等采用光纖探針測量了低壓條件下 4×4 加熱棒束的局部空泡份額，但由于光纖探針對測量環境及被測介質有較高的要求[-8]，實際應用存在較多限制。

基于電學原理的絲網傳感器因其良好的響應特性和可成像的優點，滿足棒束通道的測量要求，被應用到了實驗中。例如，Nagataka等利用絲網傳感器進行實驗獲得了 2.6MPa 下蒸汽-水兩相流的空泡份額和界面速度分布。目前，大多數棒束通道實驗并未對棒束進行加熱，這是因為加熱棒束通道常采用電加熱，其引起的高溫和電場都會對測量信號產生影響，可能會導致無法識別的微弱信號或無法濾除的噪聲。高溫環境會影響探測器結構，Pietruske等[1]在高溫環境下發現了電極變形等問題。文中針對棒束電場對絲網的影響展開研究。

隨著計算流體力學的發展，多采用數值仿真的方法對絲網傳感器的電場特性進行先驗分析[12]，仿真研究彌補了實驗無法對所有條件都展開研究的不足。因此，文中先通過仿真方法分析了帶電棒束通道電場對絲網傳感器測量的影響，再設置帶電棒束通道實驗，通過該方法保證仿真結果的正確性。

1帶電棒束通道絲網傳感器測量仿真

為研究將絲網傳感器應用到帶電棒束通道內的可行性，采用COMSOLMultiphysics有限元仿真軟件中的靜電場仿真方法分析帶電棒束通道內絲網傳感器的測量結果。通過建立帶電棒束通道內絲網傳感器的測量模型，獲取其接收電極對氣液兩相電勢差的響應。將該結果與不帶電棒束通道下的結果進行對比，以分析帶電棒束的電場對絲網傳感器的測量影響。

1.1 模型構建

建立絲網傳感器的仿真模型，將絲網層間距設置為 2mm ，電極直徑設置為 0.3mm 。此外，仿真模型中還設置了 3×3 分布的直徑為 7mm 的不銹鋼棒束，模型中所涉及到的材料與相關參數如表1所示。模型構建如圖1所示。進行模型的網格劃分時，在各電極處采用精細網格，在水域中選擇細網格，以獲得更加精確的電極電壓測量結果，并對模型進行網格無關性分析，結果如圖2所示，當網格數大于813414后，對仿真結果基本沒有影響，故采取813414的網格數。

表1絲網傳感器仿真模型材料定義

Table1Materialsforwiremeshsensorsimulationmodel

實際的棒束通道內，為了使棒束起到加熱作用，會給棒束附加1個電壓，該電壓一般由 12V 電源提供。在該電場環境下，絲網傳感器常用的 2.5V 激勵電壓可能會完全失效，同時，輸入端信號也會損壞激勵電路。為避免上述情況的發生，應使發射電極的激勵電壓大于施加給不銹鋼棒束的電壓。因此，分別給發射電極施加 12.5，15.0，17.5，20.0V 的激勵電壓，同時，獲取接收電極所測到的電壓值，以氣液兩相的電勢差分析此時帶電棒束的存在對測量區域內氣液兩相識別帶來的影響。

Fig.1Rod bundlechannel simulationmodel

圖2網格無關性分析

Fig.2 Grid independence analysis

1.2 仿真分析與結果

分析了各仿真條件下的電勢分布圖，直觀地展現出不同仿真條件下絲網傳感器對氣液兩相的響應。

1.2.1不帶電棒束通道內絲網傳感器的測量響應

為了研究絲網傳感器對內部存在不銹鋼等導電物質時的表現，對模型中的棒束不附加任何電壓值作為邊界條件，絲網傳感器敏感區域內氣液兩相的電勢如圖3所示。其中，敏感區域內為液相時，接收電極電壓值為 0.634V ;敏感區域內為氣相時，接收電極電壓值為 0.351V ，兩者之間的電勢差為 0.283V 。可以發現，當流域內存在不銹鋼等導電物質時會增大敏感區域內氣液兩相的電勢差值，這有利于信號的采集與分辨。

圖1棒束通道仿真模型

圖3不帶電棒束通道內的電勢分布圖

Fig.3Potential distribution in the uncharged rod bundle channel

1.2.2帶電棒束通道內絲網傳感器的測量響應

圖4展示了帶電棒束通道內各激勵電壓下的電勢分布圖，可以看出，隨著激勵電壓的增大，整個流場內的電壓隨之上升，但上升幅度相對較小，使得激勵電壓與流場內的測量區域內的電勢差增大。各激勵電壓下的接收電極對氣液兩相的響應如表2所示，對應的氣液兩相電勢差如圖5所示。從仿真結果來看，隨著施加給發射電極的激勵電壓的增大，氣液兩相的電勢差增大，測量系統的信噪比也增大。仿真結果表明，激勵電壓的增大增強了絲網傳感器的氣液兩相識別能力。

圖4帶電棒束通道內不同激勵電壓下的電勢分布圖

Fig.4Potentialdistributionunderdifferent excitationvoltages inthechargedrodbundlechannel

表2帶電棒束通道的仿真結果

Table2Simulationresultsofcharged rod bundlechannel

圖5不同激勵電壓下測量區域內氣液兩相電勢差

Fig.5Thegas-liquid two-phasepotentialdiferenceinthemeasurementarea underdiferent excitationvoltages

2帶電棒束通道實驗

為了驗證仿真結果，設置了帶電棒束通道實驗，對比分析帶電棒束對絲網傳感器測量的影響，并在最大工作電壓下對絲網傳感器的測量數據采用直接成像法驗證可行性。

2.1 實驗裝置

2.1.1 實驗回路

實驗在氣水兩相流實驗回路進行，實驗裝置如圖6所示，其主體為聚甲基丙烯酸甲酯材料所制成的 34mm×34mm 的方形豎直管道，全長為 1.23m ，棒束與絲網傳感器安置在距管道底面 1m 處 （L/d= 29.4）。管道內通過多孔介質實現氣水混合，使管道內氣泡分布均勻。

圖6實驗裝置原理圖

Fig.6Principle of experimental device

實驗以水為液相工質，通過蠕動泵產生穩定的液相回路，以空氣為氣相工質通過 60mL 注射器產生固定體積的氣泡，實驗回路中裝有渦輪流量計，該流量計的測量范圍為 0.1～0.6m³/h ，滿量程為 0.5% 的不確定度。

2.1.2 實驗段設計

為了使實驗條件貼近仿真模型，采用2個截面尺寸為 34mm× 34mm 尼龍制作的方形格架，通過膠黏的方式固定 3×3 排列的不銹鋼棒束。其中，單個不銹鋼棒束的直徑為 7mm ，長度為 200mm ，不銹鋼棒束在格架中的分布如圖7所示。

不銹鋼棒束固定在格架后，將絲網傳感器布置于不銹鋼棒束中間，再將帶有不銹鋼棒束的兩端分別伸入2根管道中，最后將2根管道在絲網傳感器處通過法蘭連接在一起。由于格架與管道內部尺寸吻合良好，經測試，該實驗段的密封性良好，不銹鋼棒束在通道內位置固定不變，滿足該實驗的要求。為了配合棒束的排列方式，此處用 4×4 測點的印刷電路板（PCB）制成的絲網傳感器作為測量工具，圖8為實驗段實物圖與絲網傳感器的電極分布圖。圖8（b）中，橫向排列為發射電極，縱向排列為接收電極，同一層內相鄰的電極間距為 10mm ，發射電極與接收電極的層間距為 2mm ，電極采用直徑為 0.3mm 的不銹鋼絲制成。

圖7棒束分布圖

Fig. 7 Rodbundledistribution

圖8實驗段布置圖

Fig.8Experimentalsection

2.1.3 測量裝置

該絲網傳感器系統的測量裝置如圖9（a）所示，適用于16通道的絲網傳感器測量系統，實驗中僅使用到其中4個通道。圖9（a）中，左側為激勵模塊，負責提供激勵電壓及對激勵電壓的多路復用;右側為數據獲取模塊，負責獲取接收電極的測量數據。由于該系統的激勵電壓為 ±2.5V ，數據獲取設備的測量量程為 ±5V ，不能滿足實驗要求，故對其各通道利用TL074H運算放大器通過反相放大電路的反饋電阻 R_f 實現對激勵電壓的倍數增大及對接收電極的信號減小，使其滿足測量要求，如圖9（b）所示。圖10為該裝置的測量原理圖，通過激勵模塊將電壓施加到發射電極，并在接收電極處通過數據獲取模塊采集信號，再將信號傳到上位機中用于分析處理。

Fig.9Measuringsystem

圖9測量系統

圖10測量原理圖

2.2 實驗方案

實驗研究帶電棒束通道內的電場對絲網傳感器測量結果的影響，并驗證仿真結果。文中選取圖8（b）中所示測點數據進行實驗分析，保證與仿真中所選測點一致。

進行帶電棒束通道實驗前，需要獲得不帶電棒束通道內絲網傳感器的測量結果，該通道內絲網傳感器的應用較為廣泛[13]，通過將帶電棒束通道內的結果與該結果進行比較，可知帶電棒束對絲網傳感器的測量影響。對不帶電棒束通道實驗，激勵電壓設置為 2.5V 。在設備正常工作后，使回路內的水開始循環流動，其流量為 50L/h ，再利用 60mL 注射器給回路內注入定量氣體，使其形成氣泡，通過數據獲取設備讀取全水條件下及氣泡經過測點時的電壓。為避免偶然誤差，每種條件下進行5次測量，對測量結果取平均值。

對于帶電棒束通道實驗，圖11為給棒束通電的原理圖，將9根不銹鋼棒束通過導線并聯后將其與 12V 電源串聯在一起。為避免實驗中發生短路燒毀設備，需在不銹鋼棒束后端串聯入1個功率電阻。實驗對絲網傳感器的激勵電壓設定為以 2.5V 的間隔覆蓋 12.5～20.0V ，其余實驗步驟與帶電棒束通道實驗一致，以此分析帶電棒束的存在對測量區域內氣液兩相識別帶來的影響。

為了驗證最大工作電壓下系統可以正常工作，對最大工作電壓（ 20V 下的測量數據利用直接成像法進行截面瞬時成像以及側面成像（通過對 400ms 內的截面數據取行最大值沿時間軸縱向繪圖獲得）。成像前為了將數據映射到灰度值區間（0～255），需對原始數據進行歸一化和二值化，依據氣水兩相的信號響應，以0.3作為數據歸一化后二值化的閾值。對于成像實驗，通過針筒依次注入 35～60mL 的氣泡，間隔為 5mL 0

Fig.10Measurementprinciple

圖11棒束電路原理圖Fig 11 Rod bundle circuit principle

2.3 實驗結果

2.3.1不帶電棒束通道內實驗結果

經測量，無電壓激勵時管道內的基底電壓為 0v 。存在激勵電壓時，5次測量結果如表3所示。可以看出，測量區域內的電場較為穩定。當測量區域內存在氣泡時，接收電壓有所下降。經計算可知，5次不帶電棒束通道實驗的測量區域氣液兩相的平均電勢差為 0.26V ，與仿真結果整體相差不大，該幅度的電勢差可以反映測量區域內的氣液兩相變化。

Table3Measurement resultsofuncharged rod bundlechannel experiment

2.3.2帶電棒束通道內實驗結果

經測量，無電壓激勵時，管道內的基底電壓為 8.6V 。存在激勵電壓時的測量結果平均值如表4所示。可以看出，帶電棒束的存在會較大地提高測量區域內的基底電壓。而發射電極的激勵電壓的范圍雖然始終大于棒束的附加電壓，但對測量區域內的電壓影響較小，具體體現在設備允許的范圍內，當激勵電壓為 20V 時，接收電極上所測最大電壓始終小于棒束的附加電壓。

表3不帶電棒束通道實驗的測量結果

表4帶電棒束通道實驗的測量結果

Table4Measurement resultsofcharged rod bundlechannel experiment

圖12為仿真結果與實驗結果的電勢差對比圖。可以看出，仿真比實驗值略高，考慮這是實驗環境因素所導致，實驗結果與仿真結果兩者電勢差的變化趨勢的一致性較好，表明了在帶電棒束存在的條件下，隨著激勵電壓的增大，氣液兩相電勢差總體呈現上升趨勢，增大了系統的信噪比，利于原始數據的采集與獲取。所以在帶電棒束通道實驗中，施加給發射電極的激勵電壓越大對絲網傳感器的測量越有利。

2.3.3帶電棒束通道內成像結果

圖13與圖14為在 20V 激勵電壓下多種氣泡的成像效果，其中，紅色區域為氣相，藍色區域為液相。由圖13可以看出，隨著注入氣體的體積增大，氣泡穿過絲網傳感器瞬間的截面瞬時空泡份額增大。與圖14結合分析可知，大多數氣泡存在于不銹鋼棒束間的子通道內，壁面氣泡相對較少。這可能是由于格架邊壁較厚，當氣泡接觸到不銹鋼棒束時，無法從較厚的格架邊壁穿過。整體看來，該電壓激勵下絲網傳感器可以分辨出氣液兩相，驗證了該實驗的可行性。

圖12仿真與實驗結果對比圖

Fig.12Comparisonofsimulationand experimental results

圖13截面成像圖 Fig.13 Section imaging

圖14 側面成像圖 Fig.14 Sideimaging

3結論

文中研究了帶電棒束通道內電場對絲網傳感器的測量影響。基于COMSOLMultiphysics有限元仿真軟件中的靜電場方法獲取到帶電棒束通道內絲網傳感器的測量結果，并采用與仿真相同的條件展開帶電棒束通道內絲網傳感器的測量實驗，通過實驗的方法驗證仿真結果。

1）帶電棒束的存在會較大地提高測量區域內的基底電壓（ 12V 的棒束附加電壓將基底電壓從0V提升到 8.6V ）。發射電極的激勵電壓對測量區域內的電壓影響相對較小，當激勵電壓為 20V 時，接收電極上所測最大電壓始終小于棒束的附加電壓。

2）棒束的存在會增強測量區域內氣液兩相的電勢差，利于接收信號的測量與分辨，滿足測量要求。隨著激勵電壓的增大，氣液兩相電勢差總體呈現上升趨勢，增大了信號的信噪比，此時絲網傳感器可以較好地進行帶電棒束通道內的兩相流測量，并通過 20V 激勵電壓下的成像實驗進一步驗證了系統的可行性。該結論為帶電棒束通道內絲網傳感器的應用提供了一種可行方案。

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（編輯 陳移峰）