海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统及方法

摘要

一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统及方法，该系统包括可视化实验段，模拟海洋运动条件的海洋运动平台，用于拍摄两层流体的搅浑过程的高速摄像仪，用于储存实验工质的高位液体贮存箱，与可视化实验段相连接的废液罐以及冷却水回路；还包括配套的配电设备、仪控设备和数据测量采集设备；实验时，向可视化试验段注入实验工质，海洋运动平台驱动可视化实验段实现起伏、摇摆等运动；离心水泵驱动冷却水箱中的水流经可视化实验段中的冷却通道向可视化实验段提供冷却边界，被加热的冷却水经板式换热器和冷却塔恢复到初始水温后再返回冷却水箱；本发明获得海洋条件下反应堆发生严重事故后两层熔池的搅浑过程以及换热特性，可用于海洋条件下反应堆的安全设计。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋条件下核电厂严重事故后压力容器下封头分层熔融池的搅浑特性研究技术领域，具体涉及一种海洋条件下两层流体搅浑过程以及传热特性可视化实验系统及方法。

背景技术

当核电厂压水堆发生严重事故时，堆芯如果不能得到有效冷却，会快速升温导致大量燃料组件和结构材料发生熔化并迁移至压力容器底部，进入到下封头内的高温熔融物逐渐积累形成碎片床或熔融池。在熔融池形成的中后期会有大量熔化的的堆内构件和压力容器不锈钢材料进入到熔融池中，如果熔融Fe与部分为氧化的Zr相混合但是不溶于UO₂-ZrO₂氧化物，则由于其密度较轻而浮与氧化池上部成为轻金属层，从而形成两层熔融池构型。熔融池的分层现象会对传热产生明显影响，而海洋条件下，由于熔融池会收到额外附加力的影响，熔融池的结构会发生变化，如两层流体间发生搅浑现象，这会改变熔融池向下封头壁面的热负荷分布。

目前，国内外已经开展了一些关于熔融池分层实验研究。例如，文献(TheerthanSA,Kolb G,Sehgal BR.Double diffusive convection in a semicircular slice withinternal heat generation in one or both layers[J].Experimental heat transfer,2001,14(4):283-297.)公开了一种两层熔融池实验研究装置，实验装置主体是半圆切片结构，分别采用纯水和盐水以及纯水和石蜡油作为两层熔融物模拟物，研究两层熔融池混溶性、密度差和内热源分布等因素对传热特性的影响。但是该发明不能考虑海洋条件对两层熔池的搅浑作用，无法获得海洋条件对两层熔池传热特性的影响，且实验过程不能可视化。

又例如，文献(Helle M, O,Tuomisto H.Experimental COPO IIdata on natural convection in homogenous and stratified pools[C].The 9thInternational Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics(NURETH-9),San Francisco,USA,1999.)公开了一种两层熔融池的换热实验装置，实验装置主体是半圆切片，采用ZnSO₄水溶液和石蜡油作为熔融池氧化层和金属层的模拟物，两层模拟物之间用铝板隔开。该发明由于在两层流体间设置了隔板，两层之间的搅浑特性不能得到研究，更不能考虑海洋条件对两层熔池的搅浑作用以及传热特性的影响，实验过程也不能可视化。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种海洋条件下两层流体搅浑过程以及传热特性可视化实验系统及方法，能够可视化地研究海洋条件下两层流体的搅浑特性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统，包括可视化实验段1，模拟海洋运动条件的海洋运动平台2，用于储存两种不互溶流体的第一高位液体贮存箱12、第二高位液体贮存箱13，与可视化实验段1相连接的废液罐7和冷却水回路，以及配套的配电设备14、仪控设备15、数据测量与采集设备16；可视化实验段1为半椭球状的二维切片结构，由前后两侧的透明的PC板，侧壁的不锈钢冷却通道，顶部的绝热盖板，以及布置在实验段内部的加热棒与热电偶构成；顶部绝热盖板固定在可视化实验段1上部，防止实验过程中实验段内液体的溅出，并起隔热作用；实验段前后两侧透明的PC板采用螺栓与侧壁的不锈钢冷却通道前后表面连接，透明的PC板与不锈钢冷却通道前后表面间填有金属垫片材料防止实验时实验工质泄露；实验段内部布置有加热棒模拟体积释热源，加热棒通过螺栓固定在可视化实验段1后侧的透明的PC板上；可视化实验段1顶部的绝热盖板底部连接有多点热电偶，用于实验段内温度场的测量；不锈钢冷却通道内壁面的两侧布置有热电偶，实验时根据热电偶所测得的温度与热电偶之间的距离计算得到实验段内流体向不锈钢冷却通道内壁面传递的热流量；可视化实验段1前侧透明的PC板的下部开设废液排出接口，实验过程中接口关闭，实验结束时通过接管与该接口相连，将可视化实验段1中的流体排出至废液罐7中；可视化实验段1固定在模拟海洋运动条件的海洋运动平台2上，实验时通过仪控设备15设置起伏或摇摆的加速度幅值以及周期来控制可视化实验段1进行起伏或摇摆运动；与可视化实验段1相连的第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13位于可视化实验段1的上部，实验时在重力作用下通过与可视化实验段1连接的软管以及第一出口阀308和第二出口阀309向可视化实验段1中注入模拟工质流体；第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13分别储存透明且不互溶的密度不同的两种流体；第一出口阀308和第二出口阀309用于调节注入流量；在可视化实验段1正前方架设高速摄像仪8，实验时设置好高速摄像仪8的拍摄高度、角度以及帧数，记录实验过程中可视化实验段1内部流体的流动过程。

冷却水回路中，冷却水箱4依次通过第五球阀305、第一过滤器5、第一离心泵6和相应的管道与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道相连；与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道相连的管道使用软连接；冷却水箱4上安装第七温度表407，用于监测冷却水箱4内水温变化；第一离心泵6的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第六球阀306连通到冷却水箱4构成一个旁通回路，用于辅助调节冷却水的流量；在三通的下游管道依次安装第七球阀307和第一热电偶401获得可视化实验段1的冷却通道入口温度；被可视化实验段1加热的冷却水经过板式换热器3和冷却塔9的冷却恢复到初始水温后再回到冷却水箱4；在板式换热器3的一次侧进水口，通过管道和第二球阀302分别与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口相连；可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口分别接有第二温度表402、第一流量计201和第三温度表403、第二流量计202，以获得可视化实验段1冷却通道的两端出口的冷却剂流量和温度，用于校核实验段的热平衡；在管道上安装第五热电偶405获得板式换热器3的进口温度；在板式换热器3的一次侧出水口，通过管道和第四球阀304与冷却水箱4相连通，形成一次侧闭合回路，与冷却水箱4相连的管道上安装有第六温度计406，用于获得板式换热器3一次侧的出口水温；板式换热器3的二次侧水流方向与一次侧流向相反，形成逆流，二次侧出水口依次通过第十一球阀311和第三流量计203连接到冷却塔9的进水口；冷却塔9的出水口依次通过第十二球阀312、第二过滤器10、第二离心泵11、第十球阀310和相应管道与板式换热器3的二次侧进水口相连，形成二次侧闭合回路；在二次侧闭合回路管道上安装第九温度计409、第三流量计203分别获得板式换热器3二次侧的出口冷却水温度、二回路的流量；板式换热器3二次侧进水口上游布置有第八热电偶408，用于测量板式换热器3二次侧的进口冷却水温度；此外，在板式换热器一次侧闭合回路上第二球阀302的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第三球阀303连接，第三球阀303的下游管道通过三通与板式换热器3一次侧的出口管道以及第四球阀304的上游管道相连，从而构成一个旁通回路，用于协助调节冷却水的流量。

所述第一高位液体贮存箱12储存密度小的流体乙醇-水溶液，其中乙醇浓度为50wt％或28mol％，第二高位液体贮存箱13储存密度大的氟化物溶液FC-70。

所述配电设备14主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备，供电容量满足实验系统所需的全部用电要求；所述仪控设备15主要包括实验系统中的显示仪表、模拟海洋运动条件的海洋运动平台2的启动控制平台、离心泵和冷却塔启动控制平台；所述数据测量与采集设备16主要包括热电偶、流量计、接线盒、数据采集卡、测量模块、信号调理器、计算机的驱动软件和数据采集软件。

所述的一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统的试验方法，试验采用不互溶的密度不同的两种流体作为熔融物模拟物，并向密度小的流体中添加色素，以方便实验过程中分层流体的观察；其中密度小的流体储存于第一高位液体贮存箱12中，密度大的流体储存于第二高位液体贮存箱13中；实验前，先开启第二出口阀309向可视化实验段1注入密度大的流体至所需高度，然后关闭第二出口阀309；待液面平整后，再开启第一出口阀308向可视化实验段1内小流量注入密度小的流体至所需高度；在流体注入步骤完成后，将第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13与可视化实验段1相连接的软管抽出可视化实验段1；开启与可视化实验段1相连接的冷却回路；开启高速摄像仪8，设置好高速摄像仪8的拍摄高度、角度以及帧数，记录可视化实验段1内流体的流动过程；开启数据测量与采集设备16，采集实验系统中的流量、温度信号；根据所注入流体的体积以及实验要求的功率密度，向可视化实验段1内布置的加热棒施加相应的电压值，并在仪控设备15处设置模拟海洋运动条件的海洋运动平台6的所需要的起伏或摇摆运动的幅值与周期参数，使可视化实验段1按照设定的运动方式进行运动；实验完成后，关闭高速摄像仪8以及数据测量与采集设备16，停止可视化实验段1内的加热棒加热，并使模拟海洋运动条件的海洋运动平台2停止运动；使用软管与可视化实验段1前侧透明的PC板的下部开设的废液排出接口连接，将可视化实验段1中的流体排出至废液罐7中；冷却回路中的第一离心泵6和第二离心泵11、冷却塔9保持运行直至可视化实验段1内部温度降至常温；最后关闭系统电源，实验结束。

和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明的实验装置的可视化实验段前后壁采用透明材料，方便实验过程中观察与记录两种流体的搅浑过程，实现了可视化；同时，海洋运动平台可驱动实验段运动，模拟海洋条件，通过布置在实验段中的热电偶可以获得海洋条件下两层流体的传热特性；

2、本发明的实验装置采用透明且不互溶的流体乙醇-水溶液(乙醇浓度为50wt％或28mol％)以及氟化物溶液FC-70作为真实反应堆熔融物的替代材料，在保证可视化的同时还尽可能与真实反应堆中分层熔池不互溶的特性相近；另外这两种模拟物的可在常温下使用，降低了实验过程高温的危险；

3、本发明实验装置可以开展多种工况的搅浑实验，研究不同条件对换热特性的影响，如注入的两层流体的不同高度、加热棒施加的功率、海洋平台驱动的起伏或摇摆运动的幅值以及周期等对换热特性的影响；同时还容易更换熔融物模拟物，如更换为水和硅油进行对比实验，研究不同模拟物对搅浑以及传热特性的影响。

附图说明

图1为本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统示意图。

图2为本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统的可视化实验段示意图。

图3为本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统的可视化实验段侧视示意图。

图4为本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统的可视化实验段冷却通道内壁面两侧热电偶布置示意图。

图5为本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统配电设备示意图。

图6为本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统仪控设备示意图。

图7为本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统数据测量与采集设备示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明是一种海洋条件下两层流体搅浑过程以及传热特性可视化实验系统及方法，所述实验系统包括包括可视化实验段1，模拟海洋运动条件的海洋运动平台2，用于储存两种不互溶流体的第一高位液体贮存箱12、第二高位液体贮存箱13，与可视化实验段1相连接的废液罐7和冷却水回路，以及配套的配电设备14、仪控设备15、数据测量与采集设备16。

所述的可视化实验段1固定在模拟海洋运动条件的海洋运动平台2上，实验时通过仪控设备15设置起伏或摇摆的加速度幅值以及周期来控制可视化实验段1进行起伏或摇摆运动。与可视化实验段1相连的第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13位于可视化实验段1的上部，实验时可在重力作用下通过与可视化实验段1连接的软管以及第一出口阀308和第二出口阀309向可视化实验段1中注入模拟工质流体；第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13分别储存透明且不互溶的流体乙醇-水溶液(乙醇浓度为50wt％或28mol％)以及氟化物溶液FC-70；，第一出口阀308和第二出口阀309用于调节注入流量。在可视化实验段1正前方架设高速摄像仪8，实验时设置好高速摄像仪8的拍摄高度、角度以及帧数，从而可记录实验过程中可视化实验段1内部流体的流动过程。

所述的冷却回路中，冷却水箱4依次通过第五球阀305、第一过滤器5、第一离心泵6和相应的管道与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道相连；与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道相连的管道使用软连接；冷却水箱4上安装第七温度表407，用于监测冷却水箱4内水温变化；第一离心泵6的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第六球阀306连通到冷却水箱4构成一个旁通回路，用于辅助调节冷却水的流量；在三通的下游管道依次安装第七球阀307和第一热电偶401获得可视化实验段1的冷却通道入口温度；被可视化实验段1加热的冷却水经过板式换热器3和冷却塔9的冷却恢复到初始水温后再回到冷却水箱4；在板式换热器3的一次侧进水口，通过管道和第二球阀302分别与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口相连；可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口分别接有第二温度表402、第一流量计201和第三温度表403、第二流量计202，以获得可视化实验段1冷却通道的两端出口的冷却剂流量和温度，用于校核实验段的热平衡；在管道上安装第五热电偶405获得板式换热器3的进口温度；在板式换热器3的一次侧出水口，通过管道和第四球阀304与冷却水箱4相连通，形成一次侧闭合回路，与冷却水箱4相连的管道上安装有第六温度计406，用于获得板式换热器3一次侧的出口水温；板式换热器3的二次侧水流方向与一次侧流向相反，形成逆流，二次侧出水口依次通过第十一球阀311和第三流量计203连接到冷却塔9的进水口；冷却塔9的出水口依次通过第十二球阀312、第二过滤器10、第二离心泵11、第十球阀310和相应管道与板式换热器3的二次侧进水口相连，形成二次侧闭合回路；在二次侧闭合回路管道上安装第九温度计409、第三流量计203分别获得板式换热器3二次侧的出口冷却水温度、二回路的流量；板式换热器3二次侧进水口上游布置有第八热电偶408，用于测量板式换热器3二次侧的进口冷却水温度；此外，在板式换热器一次侧闭合回路上第二球阀302的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第三球阀303连接，第三球阀303的下游管道通过三通与板式换热器3一次侧的出口管道以及第四球阀304的上游管道相连，从而构成一个旁通回路，用于协助调节冷却水的流量。

如图2、图3、图4所示，所述的可视化实验段1为半椭球状的二维切片结构，由前后两侧的透明的PC板1a，侧壁的不锈钢冷却通道101，顶部的绝热盖板102，以及布置在实验段内部的多点热电偶103、加热棒104和不锈钢冷却通道101的内壁面105两侧布置的热电偶105a构成；顶部绝热盖板102固定在可视化实验段1上部，防止实验过程中实验段内液体的溅出，并起隔热作用；可视化实验段1前后两侧透明的PC板1a采用螺栓与侧壁的不锈钢冷却通道101前后表面连接，透明的PC板1a与不锈钢冷却通道101前后表面间填有金属垫片等材料防止实验时实验工质泄露；可视化实验段1内部布置的加热棒104用于提供体积释热源模拟衰变热，加热棒104通过螺栓固定在实验段后侧透明的PC板1a上；绝热盖板102底部不同位置处连接有多点热电偶103，用于实验段内温度场的测量；可视化实验段1的不锈钢冷却通道101的内壁面105的两侧布置有热电偶105a，实验时可根据热电偶105a所测得的温度与热电偶之间的距离计算得到实验段内流体向不锈钢冷却通道内壁面105传递的热流量；可视化实验段1前侧透明的PC板的下部开设废液排出接口，实验过程中接口关闭，实验结束时通过接管与该接口相连，将可视化实验段1中的流体排出至废液罐7中；

作为本发明的优选实施方式，所述冷却水回路设计了多处的阀门和旁通管线，方便进行水流量调节，保证可视化实验段1中产生的热量能够导出，防止可视化实验段中透明的PC板由于高温而损坏。

如图5所示，作为本发明的优选实施方式，所述配电设备14主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备。配电设备14的供电源容量满足实验系统需求，为实验系统提供可视化实验段1中的加热棒104电源、第一离心泵6和第二离心泵9、冷却塔9的动力电源、模拟海洋运动条件的海洋运动平台2的动力电源，仪控设备15和数据测量与采集设备16的工作电源、高速摄像仪8等设备的工作电源。

如图6所示，作为本发明的优选实施方式，所述仪控设备15主要包括试验回路各个部位的显示仪表、海洋运动平台的启动控制平台、离心泵启动控制平台和冷却塔启动控制平台，具体部件包括加热棒控制器、阀门控制器、包括热电偶在内的温度计、流量计和高速摄像仪。通过阀门控制器调节阀门开度，通过温度计监控和显示实验时系统的温度，通过加热棒控制器调节加热棒的功率，通过流量计显示冷却水的流量，通过高速摄像仪记录实验期间实验段中流体的流动搅浑过程。

如图7所示，所述数据测量与采集设备16主要包括热电偶、流量计、接线盒、数据采集卡、测量模块、信号调理器、计算机的驱动软件和数据采集软件，高速摄像仪。热电偶、流量计和压力传感器将物理参数转化为电信号，经过接线盒，传输到信号调理器进行过滤整定，由测量模块和数据采集卡将电信号转化成数字信号，提供给计算机的驱动软件和数据采集软件，然后由LabView编译的程序对所有传感器的信号进行处理和显示。高速摄像仪的拍摄视频直接传输到计算机中显示和保存。

本发明一种海洋条件下两层流体搅浑过程以及传热特性可视化实验系统的试验方法，具体的试验操作流程如下：作为本发明的优选实施方式，试验采用透明且不互溶的乙醇-水溶液(乙醇浓度为50wt％或28mol％)以及氟化物溶液FC-70作为熔融物模拟物，密度较小的乙醇-水溶液储存于第一高位液体贮存箱12中，密度较大的氟化物溶液FC-70储存于第二高位液体贮存箱13中；实验前，先开启第二出口阀309向可视化实验段1注入密度较大的氟化物溶液FC-70至所需高度，关闭第二出口阀309；待液面平整后，再开启第一出口阀308向可视化实验段1内小流量注入密度较小的乙醇-水溶液至所需高度；在流体注入步骤完成后，将第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13与可视化实验段1相连接的软管小心抽出可视化实验段1；开启与可视化实验段1相连接的冷却回路；开启高速摄像仪8，设置好高速摄像仪8的拍摄高度、角度以及帧数，记录可视化实验段1内流体的流动过程；开启数据测量与采集设备16，采集实验系统中的流量、温度等信号；根据所注入流体的体积以及实验要求的功率密度，向可视化实验段1内布置的加热棒施加相应的电压值，并在仪控设备15处设置模拟海洋运动条件的海洋运动平台6的所需要的起伏或摇摆运动的幅值与周期等参数，使可视化实验段1按照设定的运动方式进行运动；实验完成后，关闭高速摄像仪8以及数据测量与采集设备16，停止可视化实验段1内的加热棒加热，并使模拟海洋运动条件的海洋运动平台2停止运动；使用软管与可视化实验段1前侧透明的PC板的下部开设的废液排出接口连接，将可视化实验段1中的流体排出至废液罐7中；冷却回路中的第一离心泵6和第二离心泵11、冷却塔9等设备保持继续运转运行直至可视化实验段1内部温度降至常温；最后关闭系统电源，实验结束。