基于激光诊断技术的棒束通道流场研究

摘要

压水堆燃料组件的冷却剂通道为棒束形式，其内部的流动传热特性直接影响到反应堆的经济性和安全性。因为若想提高反应堆的经济性，必须在满足最小烧毁比等准则的条件下，提高反应堆的功率等参数，而只有在准确预测流场，更好地获得流固耦合传热特性的基础上，才能提高反应堆功率等参数。因此本文开展了PIV测量带定位格架的棒束通道流场研究。
　　本研究以压水堆燃料组件为背景，针对带定位格架的棒束通道，在常温常压条件下对其内部单相流场进行测量。实验中棒束通道的结构和尺寸依据商用压水堆燃料组件设计加工，根据实验横截面和纵截面的拍摄需求，设计加工了5×5带定位格架的棒束通道。实验通道中有三个定位格架，测量范围为第二个定位格架到第三个定位格架后200mm，测量的数据包含轴向的竖直截面和横向的水平截面的流场。实验中使用了高速摄影仪、激光器等设备，采用粒子图像测速技术，获取棒束通道内流场图像。为配合粒子图像测速技术，使用了折射率匹配技术，其中试验件中棒选择氟化乙烯丙烯共聚物薄管，可与去离子水实现折射率匹配，从而得到无畸变的光学图像。经过图像处理技术，得到了棒束通道内的流场数据。
　　通过实验数据分析，发现了典型的速度分布和流动结构，如定位格架后的双涡结构，该现象与他人的实验和CFD计算结果符合较好。同时，定量对比了含相同定位格架棒束通道流场的数值研究结果，得到了较好的符合度，验证了实验的可靠性。此外，在通道边缘区域观测到了与前人计算结果没有的的速度分布结构值得进一步研究。基于速度场数据，还给出了定位格架之后二次流强度等流场特性随距定位格架距离的变化规律，得到二次流强度随距离增加，先增大后减小，在z=25mm高度处达到最大值。定量分析了横截面的涡量随高度的变化，反映出横向流场流动结构随高度的变化，发现定位格架后的双涡结构在z=20mm高度处依旧可见。此外，通过对比流速不同的工况，说明了充分发展湍流状态下，横向流场分布的相似性。
　　为了更好的评估实验数据，本研究基于日本可视化协会提出的PIV误差模型，结合研究所使用的PIV技术，利用误差传递原理，给出了实验测量误差的计算方法和结果，其中包含了误差的敏感性分析。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本文主要研究工作

第2章 实验装置和实验方案

2.1 可视化流动实验总结

2.2 流动回路

2.3 棒束通道

2.4 光学系统

2.5 棒束坐标系

2.6 本章小结

第3章 粒子图像测速技术介绍

3.1 PIV的发展历史

3.2 PIV技术原理

3.3 PIV应用注意事项

3.4 镜头光学

3.5 本章小结

第4章 实验数据分析与评价

4.1 实验数据的介绍

4.2 流场分析对比

4.3 流场交混分析

4.4 本章小结

第5章 PIV实验误差分析

5.1 误差分析模型

5.2 误差分析计算

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢