基于激光诊断技术的棒束间流动交混特性研究

摘要

本文基于激光诊断技术对带定位格架的棒束通道内单相水的流动交混特性进行了实验研究和理论分析。
　　设计搭建了可视化性能优异的棒束通道实验系统，在3×3以及5×5带定位格架的棒束通道实验本体中，基于激光诱导荧光法开展了实验研究。实验系统主要包括流动回路、实验台架、实验本体、光路及成像系统以及相关仪表设备。棒束通道的筒体由有机玻璃加工而成，方形流道横截面边长分别为40.9mm和65mm，可视化棒束由FEP管加工而成，棒径为9.5mm，棒间距为12.6mm。实验中在定位格架上游注入激光染色剂进行示踪，以显示格架下游流迹；通过光路系统在格架下游不同位置的纵截面以及横截面产生激光平面，以激发染色剂产生荧光；利用成像系统捕获截面实验图像，然后根据棒束通道的特点，制定了图像处理方法，提出了拍摄图像纠正及在线标定方案，对通道内各截面上瞬时以及时均的浓度场进行重构，并提出了基于LIF技术的速度场测量方法。
　　在不同的流速以及染色剂注入位置的工况下，重构了3×3棒束通道内不同位置处横截面和纵截面的瞬时以及时均的浓度场，并对浓度分布进行了统计分析，用以量化流动交混程度。浓度云图表明搅混翼能够促进横向流动并能诱发湍流脉动，从而促进流动交混，定位格架出口后方0-3当量直径(Dh)处横向流动起主导作用，3Dh之后湍流脉动是主要因素；统计分析表明定位格架出口处棒束子通道内的流动交混现象比棒间隙处更加剧烈，整体而言定位格架下游流体的流动交混在5-6Dh开始逐渐缓和。
　　在不同的流速以及拍摄频率的工况下，获取了5×5棒束通道内纵截面及横截面上的荧光图像，重构了瞬时以及时均的浓度场。编制了图形分数维测算程序，根据测算程序对实验图像的湍流进行了分形分析。分析结果表明，在实验的流动参数范围内，格架下游的流动处于完全湍流状态；格架下游完全湍流的分数维为2.676，与拍摄频率、格架下游距离以及雷诺数都无关。
　　对比分析表明，激光诱导荧光技术能够较好的适用于棒束通道的全场测量，基于该方法能够对流动交混特性进行定性分析及定量评价，有助于定位格架的设计和性能评估、子通道模型的开发以及湍流模型的完善，也能够为数值计算提供全场的数据验证。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究进展

1.3 本文主要研究内容

第2章 实验系统与实验方法

2.1 实验系统

2.2 实验方法及注意事项

2.3 不确定度分析

2.4 本章小结

第3章 LIF浓度测量图像处理方法

3.1 实验图像处理方法

3.2 LIF浓度测量图像在线标定

3.3 本章小结

第4章 棒束通道流动交混实验研究

4.1 3×3棒束通道纵截面拍摄实验

4.2 3×3棒束通道横截面拍摄实验

4.3 5×5棒束通道光路测试

4.4 5×5棒束通道LIF实验

4.5 本章小结

第5章 定位格架下游湍流分形研究

5.1 湍流分形特性

5.2 分数维测算方法

5.3 定位格架下游湍流分数维测算

5.4 本章小结

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