声压及示踪粒子对超声多普勒流场测量影响研究

摘要

铅基合金具有良好的热工水力学和中子学性能，被用作第四代反应堆等先进核能系统的冷却剂。铅基合金流场是先进反应堆热工水力学与关键部件设计、材料腐蚀等问题研究的重要参数。目前超声多普勒测速（UDV）被认为是高温液态金属流场测量最有潜力的一种方法。根据超声波传播特性与已有流场测量实验研究结果，声压会对流体产生扰动，示踪粒子流动跟随性、超声散射特性及浓度特性等严重影响流场测量。本论文针对这些影响因素系统地开展了理论与实验研究，主要结论为:
　　(1)通过多场耦合方法分析了声压引起的流体扰动影响规律。声压扰动在超声近场区存在较大波动（3～28mm/s），在超声远场区随传播距离增大逐渐减小，且扰动影响随激发电压增大而增大，随流体声阻增大而减小。背衬厚度对扰动影响较小，当背衬厚度为8mm、激发电压为36V时铅铋流体内产生了28mm/s的扰动，对瞬态流场及湍流脉动特性造成较大干扰。
　　(2)理论分析和实验研究了示踪粒子跟随性、超声散射特性及粒子浓度对流速测量影响规律。流动跟随性η随粒子与流体密度比ρp/ρf、粒径dp增大而降低，导致测得粒子速度与流速存在较大差异;超声散射特性σs随dp和ρp/ρf的增大而增大，进而提升反射回波强度和测量信噪比。本文选取dp=40μm的Polyamide粒子开展其浓度特性影响实验研究，结果表明粒子浓度n＜12/mm3时与雷诺数耦合影响流场测量准确性，当粒子浓度n≥12/mm3时对测量结果无影响，据此确定测速仪的散射特征参数阈值δ0=σsn=4.8×10-3。因此，为获得较好的测量结果，示踪粒子选取通常需满足0.99≤η≤1.01，散射特征参数δ=σsn≥4.8×10-3。
　　(3)开展了复杂一维与二维涡流场测量实验与数值分析，结果表明:直径区间上一维流场呈良好的中心对称分布，实验结果与数值模拟结果相对偏差优于15％,二者吻合良好;此外，通过对比实验测量与数值模拟获得的二维矢量分布图及云图发现，在被测区域高流速与低流速位置基本相同、叶轮以上涡心位置在（r=95mm，h=150mm）附近、叶轮以上涡旋为逆时针方向而叶轮以下部分为顺时针方向，这表明实验测量与数值模拟结果吻合良好。
　　基于对声压振动和示踪粒子影响研究，为UDV测量误差分析与实验条件优化提供了重要依据，从源头上确保了测量的准确性。通过对复杂流态下流场测量的验证，为开展热工水力学研究等工程应用奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 液态金属反应堆发展概述

1．1．1 铅基堆

1．1．2 聚变堆及包层

1．2 液态金属流场测量技术研究进展

1．2．1 流场测量研究进展

1．2．2 超声多普勒测速关键问题

1．3 研究目的与意义

1．4 研究内容与结构

第二章 UDV流场测量原理与方法

2．1．1 超声波发射原理

2．1．2 多普勒测速原理

2．2 实验装置与方法

2．2．1 示踪粒子特性分析

2．2．2 流场测量实验研究

2．3 流场数值分析方法

2．3．1 旋转流场求解方法

2．3．2 CFD数值模拟理论基础

2．4 本章小结

第三章 声压振动对流体扰动影响

3．1 计算分析模型

3．1．1 超声传播数学模型

3．1．2 计算物理模型

3．1．3 网格独立性验证

3．2 流场扰动影响分析

3．2．1 声压振动特性

3．2．2 超声扰动分析

3．3 本章小结

第四章 示踪粒子跟随性与散射特征

4．1 常用示踪粒子分析

4．2 示踪粒子跟随性

4．2．1 粒子运动模型

4．2．2 跟随性分析

4．3 示踪粒子散射特征

4．3．1 超声散射特性分析

4．3．2 浓度特性研究

4．3．3 散射特征参数分析

4．5 本章小结

第五章 UDV流场测量实验研究

5．1 一维流场实验与分析

5．1．1 常温流场分析

5．1．2 铅铋流场分析

5．2 二维涡流场实验与分析

5．2．1 数值计算流场分布

5．2．2 流场测量实验分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文特色与创新

6．3 未来工作展望

参考文献

在读期间发表学术论文及专利信息

在读期间参与项目

致谢