一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法

摘要

本发明涉及热工性能实验技术领域，公开了一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法，其包括以下步骤：搭建实验模型；将若干条实验棒插入腔体内；各实验棒将腔体分隔为若干条相互连通的子通道；将温度为T1的水注入腔体内；将温度为T2的水注入腔体的中心处；其中T2＞T1；测量子通道内的温度，得到实际温度值；在0～0.5的范围内取若n个数作为虚拟湍流交换系数；将各虚拟湍流交换系数输入COBRA程序内，利用COBRA程序求出各个虚拟湍流交换系数对应的虚拟温度值；将各虚拟温度值与实际温度值进行比较，将与实际温度值最接近的虚拟温度值定义为确定温度值；确定温度值确定对应的虚拟湍流交换系数即为棒束通道交混系数。本发明能确定棒束通道的等效交混系数。

说明书

技术领域

本发明涉及热工性能实验技术领域，特别是涉及一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法。

背景技术

燃料组件是核反应堆的关键部件，燃料组件的子通道之间的横向交混能力对反应堆热工设计具有重要意义。对于棒束组件，子通道之间的横向交混主要由棒束通道内的涡团自然扩散引起。这种横向交混被称为湍流交混，用湍流交混系数来定量描述湍流交混。湍流交混的主要特征是相邻子通道通过棒间隙的速度脉动进行能量和动量交换，并无净质量交混发生。

公开号为CN110828013A的专利公开了一种用于棒束通道内子通道的隔离装置，其主要包括上游棒束、隔离棒、下游棒束和翅片。该装置通过隔离棒将棒束的各个子通道分隔开，棒束子通道的交混行为在隔离棒的下游发生。通过该装置，可以将棒束流场的流速、浓度和温度等敏感参量进一步作定量的分析。然而，该发明在采集棒束子通道的相关信息时，无法实现实时测量棒束子通道的温度。而且，该发明没有给出棒束通道交混系数这一关键参数的求解方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法，其能确定棒束通道的等效交混系数。

为了实现上述目的，本发明提供了一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法，其包括以下步骤：

搭建实验模型；所述实验模型包括腔体；

将若干条实验棒插入所述腔体内；各所述实验棒将所述腔体分隔为若干条相互连通的子通道；各所述子通道均沿所述腔体的长度方向延伸；

将温度为T1的水注入所述腔体内；

将温度为T2的水注入所述腔体的中心处；其中T2＞T1；

测量所述子通道内的温度，得到实际温度值；

在0～0.5的范围内取若n个数作为虚拟湍流交换系数；将各所述虚拟湍流交换系数输入COBRA程序内，利用所述COBRA程序求出各个所述虚拟湍流交换系数对应的虚拟温度值；

将各所述虚拟温度值与所述实际温度值进行比较，将与所述实际温度值最接近的所述虚拟温度值定义为确定温度值；所述确定温度值确定对应的所述虚拟湍流交换系数即为棒束通道交混系数。

可选地，T1＝20℃～30℃；T2＝90℃～100℃。

可选地，各所述子通道矩阵分布在所述腔体内；

将位于腔体中心的所述子通道定义为中心通道；将环绕于所述中心通道外周的各所述子通道均定义为侧通道；

在将温度为T1的水注入所述腔体内的步骤中，具体为：将温度为T1的水注入任一所述侧通道内；

在将温度为T2的水注入所述腔体的中心处的步骤中，具体为：将温度为T2的水注入所述中心通道内。

可选地，在将温度为T1的水注入任一所述侧通道内的步骤中，具体为：在所述侧通道的底部连接第一管道，所述第一管道与所述侧通道连通；往所述第一管道内注入温度为T1的水；

在将温度为T2的水注入所述中心通道内的步骤中，具体为：在所述中心通道的中部连接第二管道，所述第二管道与所述中心通道连通；往所述第二管道内注入温度为T1的水；

各所述侧通道和所述中心通道内的水均从所述侧通道的顶部流出。

可选地，将温度为T1的水注入所述腔体内的注水速度与将温度为T2的水注入所述腔体的中心处的注水速度相同。

可选地，在测量所述子通道内的温度的步骤中，具体为：在各所述侧通道的顶部以及所述中心通道的顶部测量水温；在注入温度为T1的水的横截面内测量各所述侧通道的水温。

可选地，在测量所述子通道内的温度，得到实际温度值的步骤中，还包括：

求出所述中心通道的中心等效比焓，根据所述中心等效比焓查表得到所述中心通道的所述虚拟温度值。

可选地，在求出所述中心通道的中心等效比焓的步骤中，具体为：将所述中心等效比焓定义为△hequ；

将所述中心通道内的水的密度定义为ρequ；

将所述中心通道的横截面面积定义为Atot；

将所述第一管道内的水的比焓定义为△hbulk；

将所述第一管道内的水的密度定义为ρbulk；

将所述注水速度定义为v；

将所述第二管道的横截面面积定义为Ahot；

将所述第二管道内的水的比焓定义为△hhot；

将所述第二管道内的水的密度定义为ρhot；

根据以下公式计算所述中心等效比焓：

△hequρequvAtot＝△hbulkρbulkv(Atot－Ahot)+△hhotρhotvAhot。

可选地，在0～0.5的范围内取若n个数作为虚拟湍流交换系数的步骤中，n≥100。

可选地，在将各所述虚拟温度值与所述实际温度值进行比较的步骤中，具体为：

利用最小二乘法求出各个所述虚拟温度值与所述实际温度值的标准差。

本发明提供的一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法与现有技术相比，其有益效果在于：本发明通过构建具有腔体的实验模型，将实验棒插入实验模型内，使得实验棒将腔体分割为若干个子通道。往实验模型内注入两种温度的水，测量各条子通道内的水温，并将实验的边界条件输入COBRA子通道程序中，利用程序计算出虚拟温度值。对比虚拟温度值和实际温度值，得到与所述实际温度值最接近的虚拟温度值，并据此获得棒束通道交混系数。该方法通过构建模型、使用程序求出棒束通道交混系数，方法步骤简单，能获得最接近实际值的棒束通道交混系数。

附图说明

图1是本发明实施例的测量棒束通道等效交混系数的实验方法的流程图；

图2是本发明实施例的实验模型的结构示意图；

图3是本发明实施例的封板的结构示意图。

图中，1、实验桶体；2、封板；3、测温件；4、实验棒；5、子通道；51、中心通道；52、侧通道；6、第一管道；7、第二管道；8、第一进水口；9、出水口；10、固定通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图2所示，本发明的优选实施例的一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法，其包括以下步骤：

搭建实验模型；实验模型包括腔体；

将若干条实验棒4插入腔体内；各实验棒4将腔体分隔为若干条相互连通的子通道5；各子通道5均沿腔体的长度方向延伸；

将温度为T1的水注入腔体内；

将温度为T2的水注入腔体的中心处；其中T2＞T1；

测量子通道5内的温度，得到实际温度值；

在0～0.5的范围内取若n个数作为虚拟湍流交换系数；将各虚拟湍流交换系数输入COBRA程序内，利用COBRA程序求出各个虚拟湍流交换系数对应的虚拟温度值；

将各虚拟温度值与实际温度值进行比较，将与实际温度值最接近的虚拟温度值定义为确定温度值；确定温度值确定对应的虚拟湍流交换系数即为棒束通道交混系数。

本实施例中的实验棒4采用铝合金制成。本实施例中的实验模型结构如图2所示，其包括实验桶体1、封板2及测温件3。实验桶体1的横截面形状为矩形。实验桶体1具有腔体；腔体的底部开设有第一进水口8。腔体开设有第二进水口；腔体的顶部敞开。封板2为方形板体。封板2覆盖在实验桶体1的顶侧；如图3所示，封板2上设有第一出水口9；封板2上还设有若干个供实验棒4穿过且用于固定实验棒4位置的固定通孔10；固定通孔10为圆形通孔。测温件3的数量为若干个；各测温件3均穿过封板2插设在腔体内。测温件3为热电偶。热电偶的探头固定在子通道5的中心位置，实现了对腔体水温的接触式测量。

本申请所用的COBRA程序是一款现有程序，其用于轻水堆设计的热工水力模拟程序。该程序在1980年由太平洋西北实验室开发，后被几个研究机构使用和改进。

基于上述技术方案，在实验前，将多条实验棒4穿过封板2插入腔体内。多条实验棒4构成棒束组件，并将腔体分隔为若干条子通道5。将温度为T1从第一进水口8注入腔体内；腔体内的主流流体为温度为T1的水。将温度为T2的水从第二进水口注入腔体内。利用测温件3测量子通道5的水温，能够直观得出每条子通道5的温度，测量结果对物理场的还原度高。工作人员通过随机选择n个虚拟湍流交换系数，并利用COBRA程序计算得出各个虚拟湍流交换系数对应的虚拟温度值，再将虚拟温度值与实际温度值进行比较，选择一个与实际温度值最接近的虚拟温度值作为确定温度值。而该确定温度值对应的虚拟湍流交换系数即为所求的交混系数。该实验方法通过直接测量各条子通道5中的水温，随机抽取虚拟湍流交换系数得出虚拟温度值，并将虚拟温度值与实际温度值进行比较，能够得到最为接近实际值的湍流交换系数。本发明通过搭建模型和使用程序，提供了一种能够确定子通道5内等效交混系数的方法，宏观描述了棒束组件整体的横向交混能力，因此本发明同样适用于双面冷却环形燃料组件、绕丝棒束组件等各类核反应堆实验组件。

其中，T1＝20℃～30℃；T2＝90℃～100℃。将温度为T1的水定义为低温水；将温度为T2的水定义为高温水。低温水从第一进水口8注入腔体；高温水从第二进水口注入，低温水和高温水在各条子通道5内混合。

具体地，各子通道5均匀且矩阵分布在腔体内；将位于腔体中心的子通道5定义为中心通道51；将环绕于中心通道51外周的各子通道5均定义为侧通道52。在将温度为T1的水注入腔体内的步骤中，具体为：将温度为T1的水注入任一侧通道52内；低温水从任一侧通道52内流动至其他侧通道52和中心通道51内，确保腔体内大部分充满低温水。而在将温度为T1的水注入任一侧通道52内的步骤中，具体为：在侧通道52的底部连接第一管道6，第一管道6与侧通道52连通；往第一管道6内注入温度为T1的水。将低温水从第一管道6注入腔体内。利用第一管道6提高注水的方便性，同时第一管道6的横截面积是固定的，以便后期将第一管道6的横截面积等参数作为边界条件输入到COBRA程序内。

更具体地，在将温度为T2的水注入腔体的中心处的步骤中，具体为：将温度为T2的水注入中心通道51内。高温水从中心通道51流通至其他通道内，以便实验得出交混系数。在将温度为T2的水注入中心通道51内的步骤中，具体为：在中心通道51的中部连接第二管道7，第二管道7与中心通道51连通；往第二管道7内注入温度为T1的水。利用第二管道7提高注水的方便性，同时第二管道7的横截面积是固定的，以便后期将第二管道7的横截面积等参数作为边界条件输入到COBRA程序内。各侧通道52和中心通道51内的水均从侧通道52的顶部流出，能够及时排出腔体内多余的水。

可选地，将温度为T1的水注入腔体内的注水速度与将温度为T2的水注入腔体的中心处的注水速度相同。调整第一管道6和第二管道7内的水温和流速，保持两条管道内的流体流速一致，获得不同温度和流速条件下子通道5的水温分布。

此外，在测量子通道5内的温度的步骤中，具体为：利用测温件3在各侧通道52的顶部以及中心通道51的顶部测量水温，实现了对棒束通道内部的接触式测量。在测量子通道5内的温度的步骤中，还包括：在注入温度为T1的水的横截面内测量各侧通道52的水温，以获得高温水注入口的温度值。由于高温水的注入口位于中心通道51中部，难以测量其温度值，因此，在测量子通道5内的温度，得到实际温度值的步骤中，还包括：求出中心通道51的中心等效比焓，根据中心等效比焓查表得到中心通道51的虚拟温度值。等效比焓与温度值有一定关系，实验人员可通过查表得出各个等效比焓所对应的温度值数据。在求出中心通道51的中心等效比焓的步骤中，具体为：将中心等效比焓定义为△h

另外，在0～0.5的范围内取若n个数作为虚拟湍流交换系数的步骤中，n≥100。通过在0～0.5的范围多取几个数值，有利于精准求出最接近实际数值的虚拟温度值。在本实施例中，n＝100。

在将各虚拟温度值与实际温度值进行比较的步骤中，具体为：利用最小二乘法求出各个虚拟温度值与实际温度值的标准差。最小二乘法是一种数学优化建模方法。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便的求得未知的数据，并使得求得的数据与实际数据之间的标准差最小。将0～0.5范围取100个数作为虚拟湍流交换系数，输入COBRA程序后计算对应的水温分布。将实验测量的实际温度值和COBRA程序计算的虚拟温度值进行对比，求出两组数据的标准差，变准差最小时对应的交混系数即为实验组件实际的棒束通道交混系数。

本发明的工作过程为：

棒束组件的相邻通道之间存在横向的动量、质量和能量的交换。在单相流动状态下，湍流交混效应对横向交混的影响最为明显。湍流交混本质上是子通道5之间流体脉动引起的自然涡团扩散，其主要特征是不引起净质量交换的情况。湍流交混的强度由湍流交混率W来决定：W＝βGS，其中，G为通道内的平均质量流速，S为各条通道之间的间隙，β为湍流交混系数。湍流交混系数β在子通道5交混分析中最为重要。湍流交混系数β影响水温的分布，即：在不同湍流交混系数β的条件下，从腔体输出的水的水温不同。湍流交混系数β与几何结构、流速相关。

1、搭建实验模型。实验模型包括具有腔体的实验桶体1、覆盖在腔体上方且与实验桶体1的顶侧相连的封板2及穿插在封板2上、且底端位于腔体内的测温件3。

2、将若干条实验棒4穿过封板2插入腔体内；各实验棒4将腔体分隔为若干条相互连通的子通道5；各子通道5均沿腔体的长度方向延伸。

3、将温度为T1的低温水从连接在腔体底部的第一管道6注入腔体内，其中T1＝20℃～30℃。

4、将温度为T2的高温水从连接在腔体中部的第二管道7注入腔体的中心处；其中T2＞T1，T2＝90℃～100℃。

5、利用测温件3测量子通道5上方的温度，得到实际温度值。

6、在高温水注入口那个截面，中心通道51水温通过下面公式计算出中心等效比焓△h

7、在0～0.5的范围内取若100个数作为虚拟湍流交换系数。将各虚拟湍流交换系数输入COBRA程序内，利用COBRA程序求出各个虚拟湍流交换系数对应的虚拟温度值。

8、利用最小二乘法将各虚拟温度值与实际温度值进行比较，将与实际温度值最接近的虚拟温度值定义为确定温度值；确定温度值确定对应的虚拟湍流交换系数即为棒束通道交混系数。

综上，本发明实施例提供一种测量棒束通道等效交混系数的实验方法，其通过构建具有腔体的实验模型，将实验棒插入实验模型内，使得实验棒将腔体分割为若干个子通道。往实验模型内注入两种温度的水，测量各条子通道内的水温，并将实验的边界条件输入COBRA子通道程序中，利用程序计算出虚拟温度值。对比虚拟温度值和实际温度值，得到与所述实际温度值最接近的虚拟温度值，并据此获得棒束通道交混系数。该方法通过构建模型、使用程序求出棒束通道交混系数，方法步骤简单，能获得最接近实际值的棒束通道交混系数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。