棒束通道内温度场分布特性研究

米争鹏，谭思超，邹思远，邱志方，朱大欢，张 丹，邓 坚，蔡 容,吴菱艳

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213；2.哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；3.北京自动化控制设备研究所，北京 100074)

随着陆上核电站及海上核设施的大力发展，对当前核技术和核安全水平提出了更高的要求，特别是海上核动力设施，面临着更加恶劣的运行环境，更需要明确核设施运行特性与海洋条件之间的耦合效应，准确把握核设计的关键点，保证海上核设施的安全运行。流动不稳定性对反应堆安全提出了更高的要求[1]，如海洋条件影响、主泵转速的变化等都会引起反应堆内冷却剂的流量波动，而脉动流是一种实验研究中常见到的典型流动不稳定性现象[2-4]，本文就稳态流和脉动流下棒束通道内温度分布进行研究。

目前，数值计算方法是核反应堆系统特性研究的重要手段，涵盖了反应堆冷却剂热工水力特性、系统运行特性以及事故工况下安全特性等方面的研究[5-8]。同时众多学者也开展了对反应堆系统参数等方面的实验研究，包括对温度、压力、流速等参数的测量。可视化技术的出现，突破了结构限制测量的局限性，可实现对复杂结构内流场、温度场的准确、无扰测量，同时该技术响应时间短，能实时显示测量结果，对掌握热工水力现象机理、评估结构设计性能有重要作用。本文将采用可视化实验技术——激光诱导荧光(LIF)技术[9]对棒束通道温度场进行测量。

LIF技术的原理是：染色剂分子在吸收到一定能量的激光后，会发生跃迁-退激过程，在退激过程会发射出特定波长的荧光，以此来进行温度、浓度的实时反馈。目前LIF技术在浓度、温度分布的全场测量方面体现出巨大优势，相关学者采用该技术对射流流场浓度分布、矩形通道温度分布等进行了研究[10-11]。但由于LIF技术对实验回路布置、光学系统以及后处理技术有较高的要求，因此对复杂通道的测量难度较大，需要解决的难点较多[12]，因此本文拟对LIF技术难点进行分析研究，探索出一套适用于LIF技术测量复杂结构温度场分布的技术方案，并对棒束通道温度场进行测量，获得不同流动条件下的温度分布。

1 实验系统

实验在哈尔滨工程大学搭建的实验系统上进行[13]，实验回路示意图如图1所示。实验回路包括循环水箱、离心泵、流量计、压力传感器、温度传感器、过滤器及棒束实验段。实验过程分为标定和测量两部分，需要获得温度与荧光强度的拟合曲线，并利用该曲线对加热工况下温度分析进行反馈。实验中采用2台高速摄影仪实时获取温度分布数据，在每台摄影仪前放置不同波长范围的滤光片，采集不同的荧光段，保证能进行比值处理，提高温度敏感性和数据的准确性。实验本体横截面示于图2，棒直径为9.5 mm，棒间距为12.6 mm，当量直径Dh为9.6 mm，加热棒选用不锈钢棒，长度与棒束相同，采用直流电源加热，非加热棒采用与水折射率相近的FEP材料，其折射率为1.338(水的折射率为1.333)，可减少折射导致的图像畸变现象。本研究中，加热形式分别采用单根棒加热和单排棒加热(图2)，实验环境为常温常压，其中入口温度约为25 ℃，热流密度约为219 kW/m2，流量为0.7～3.8 m3/h，单根棒加热时，加热棒位于中间位置。通过高速摄影仪获得截面处的温度分布。实验中布置3个定位格架，间隔约24 cm，为保证消除入口效应，第1个格架布置于距入口约40 cm处，数据获取在第3个定位格架下游。流量的变化由泵控系统控制，通过改变泵的转速，实现流量的改变。

图1 实验回路示意图Fig.1 Schematic of test loop

图2 系统示意图Fig.2 Schematic of system

2 技术难点与解决方案

LIF技术属于高精度测量，其测量的准确性、后处理的准确性都对结果有很大的影响。本文针对光学特性、示踪染色剂特性以及后处理技术等方面，分析其影响因素，并提出改进方法。

1) 光学特性

激光诊断技术对光学回路的要求较高，一方面保证激光片光源能穿过棒束通道，防止激光照射到棒束上，影响实验测量，另一方面，要保证稳定的激光特性，选择合适的激光强度，从而产生足够的荧光强度，但过大的荧光强度会产生光漂白作用，影响染色剂特性。经验证，6 800～8 300 W/m2是本实验合适的激光强度，同时要保证空间上光强分布均匀、时间上光强保持恒定，从设备、处理方法上有效消除激光的高斯分布和沿程损失，另外，外界环境也会影响激光的稳定性，要避免强光、震动等的外界干扰。欲保证实验获得的荧光强度由染色剂产生，还需要使用滤光片，滤光片的选择要避开激光的光强范围，仅使得相应波长范围内的荧光能通过。

2) 示踪染色剂特性

示踪染色剂的特性是LIF技术的关键，合理地选择示踪染色剂，可保证实验的成功、数据的准确。首先，要保证示踪染色剂有良好的光学特性，包括光强特性、光敏感特性，特别是要匹配激光波长范围与示踪染色剂可吸收波长范围，这样当激光照射流场内后，反射出的激光才能被捕捉。其次，要保证示踪染色剂稳定性，在长时间激光照射情况下，保证反射的荧光强度保持不变。本文采用罗丹明B(Rhb)和Fl27两种染色剂，并针对两种染色剂的稳定性、温度敏感性、最佳实验浓度等进行了分析，结果列于表1。表1表明，这两种染色剂具有较好的光学效果，与激光波长范围匹配，具有较大的荧光光强。

表1 染色剂特性Table 1 Characteristics of fluorescent dye

3) 后处理技术

通过LIF技术获得的实验数据，需要进行后处理才能保证真实反映温度分布，整个后处理过程包含匹配-降噪-标定-重构4个步骤。在实验测量过程中，2台高速摄影仪拍摄的图像会存在视角、尺寸的不同，因此需进行图像匹配，即构建一系列空间变换技术-投影变换，建立有效的匹配算法，将同一时刻图像进行匹配，如式(1)[14]所示；降噪过程要对测量数据进行平滑处理，消除奇点，由于棒束结构的复杂性，采用式(2)的计算方法，既能减少背景光的干扰、降低噪声影响，同时也能增强温度敏感性，此时温度敏感性能达到2.5%/℃；在标定和重构中均采用点对点的方式，针对图像中的每个像素点进行曲线拟合，再利用这些曲线去求解加热工况中的温度分布，采用该方法可有效消除激光的高斯分布及沿程损失的影响，保证获得拟合效果较好的曲线，本实验中拟合曲线的残差分布基本在±5%以内。

I2(x,y)=G(I1(H(x,y)))

(1)

其中：I1(x,y)和I2(x,y)为坐标点(x,y)处的灰度；G为灰度变换；H(x,y)为某种形式的空间坐标变换，即(x′,y′)=H(x,y)。

(2)

其中：C(t)为后处理结果；Ci(Rhb)、Ca(Rhb)分别为罗丹明B的实验测量值和背景值；Ci(Fl27)、Ca(Fl27)分别为Fl27的实验测量值和背景值。

3 实验现象与结果分析

3.1 稳态流温度分布

采用LIF技术获得不同流动工况下的实验数据，经过后处理技术加工，进而可直观展现定位格架下游的温度分布，如图3所示。由于加热棒1位于棒束中间位置，从图3可明显看出，棒束通道中间位置处温度相对较高，两侧没有加热棒，温度相对较低，单根棒加热时，靠近加热棒的通道位置，会出现明显的热流体团上升现象，如图3a中标记处。流体在加热棒附近被加热，温度变化导致密度变化，LIF技术可直观地展示热流体团的变化情况。单排棒加热时，可观察到在中间位置处，温度仍是最高的，两侧相对较低，且能看到明显的温度变化趋势，这主要是由定位格架的搅混作用引起的，而且在靠近定位格架的一定范围内，冷热流体之间能充分混合，随着高度的增加，靠近加热棒位置处的流体被加热，搅混作用减弱，流体温度逐渐升高。

3.2 脉动流温度分布

对脉动流下瞬态温度分布特性进行测量，分析流量波动和定位格架共同作用下棒束通道内温度的分布情况。实验中脉动流流量采用正弦波动，流量中值为0.7 m3/h，脉动周期t0分别选取5、8、10 s，波动幅值γ为0.3，通过对高速摄影仪获取的图像进行处理，即可获得不同工况下的温度分布云图，如图4、5所示，图中T0表示实验初始时刻。

图3 稳态流下温度分布Fig.3 Temperature distribution of steady flow

图4 t0=5 s、γ=0.3时脉动流下温度分布Fig.4 Temperature distribution of fluctuating flow at t0=5 s and γ=0.3

图5 t0=8 s、γ=0.3时脉动流下一周期内温度分布Fig.5 Temperature distribution of fluctuating flow at t0=8 s and γ=0.3

从图4可看出，脉动流工况下的温度分布基本与稳态流时的类似，由于图4属于瞬态下温度分布云图，与稳态时均下温度分布云图相比，受到涡流、横流等流动不稳定性的影响，温度波动和变化趋势更清楚地显示出来。从图4、5所示温度分布云图可看到温度随流量波动的变化，特别是在中间区域，这种变化主要是受脉动流量的影响，使温度出现周期性波动。在稳态条件下，棒束通道内温度分布主要受定位格架的影响，在非稳态条件下，受到脉动流的影响，棒束通道内流体出现加减速变换，破坏了流动边界层，使得热扩散加剧，在流速波动和搅混作用下，温度分布的变化趋势更明显。

3.3 温度分布特性

对于棒束通道内的温度分布特性，可从时均化和瞬态的角度出发，以温度波动来评价定位格架的搅混作用、流量波动及加热使得棒束通道内流体的温度随时间波动，同时考虑温度均值和瞬时温度分布信息，提出了棒束通道内温度波动的计算公式：

(3)

(4)

不同高度处的温度波动示于图6。从图6可见，稳态流和脉动流下温度波动变化存在明显不同。对于稳态流，在棒束通道径向不同位置处，温度波动的变化相对较小，而在脉动流时，温度的波动存在很大差异，在中间加热棒位置处，温度波动较大，且脉动周期越长，温度波动越大。对比定位格架下游3Dh和7Dh处的温度波动，特别是脉动流下，靠近格架位置处的波动较大，且相同高度处的温度波动差别也较大。棒束通道内定位格架的搅混作用使得稳态流下温度波动存在差异，而脉动流的周期性流动和搅混作用的叠加，会增加通道内温度波动，因此会使脉动流下温度波动变大。脉动周期较大，导致波动持续时间长，温度波动值也随之变大。这主要是由于搅混作用和流量脉动的影响，破坏了流动边界层，进而加强了棒束通道内的流动换热。

图6 不同高度处温度波动Fig.6 Temperature fluctuation of different heights

图7为棒束通道中间位置不同流动工况下的温度波动。从图7可看出，稳态流和脉动流下温度波动趋势基本类似。稳态流时，在靠近格架处，温度波动数值呈增长趋势，约在格架下游(3～4)Dh处达到最大值，之后逐渐降低，降幅较小，且在棒束间隙和子通道内温度波动也基本类似。脉动流时，在靠近格架处，温度波动也会呈增长趋势，最大值更靠近格架，约在(2～3)Dh处，远离格架时，也会出现温度波动。这主要是由于搅混翼会产生横向流动和湍流脉动，而脉动流主要会产生沿轴向方向的流动作用，在靠近格架时，会产生两种作用的叠加效应，使得温度波动较稳态流时大，且温度波动峰值更靠近格架。在远离格架的位置，格架的搅混能力减弱，而脉动流的作用仍存在，使得下游的温度波动会存在起伏。稳态流时，温度波动主要受定位格架搅混效应和热驱动的影响，因此温度波动的变化趋势很规律，而脉动流时，定位格架搅混效应与流量变化的叠加会导致温度波动变大，且在远离格架时，流量波动的影响仍存在。

图7 中间棒束间隙处温度波动Fig.7 Temperature fluctuation at middle channel

结合定位格架在该截面处的搅混翼分布对上述现象进行分析，搅混翼分布如图8所示，该截面处定位格架有2个朝向右侧的搅混翼，1个朝向左侧的搅混翼，导致出现图3所示的温度分布，同时由于棒2位置处温度相对较高，2个搅混翼斜对称布置，增加了其搅混能力，热量能及时被带走，而棒1和棒3位置处的搅混翼，增加了横向流动，也能及时将加热棒产生的热量传递给流体，因此会出现图6所示的温度波动分布。

图8 搅混翼示意图Fig.8 Schematic of mixing vane

4 结论与展望

本文采用LIF技术对棒束通道内稳态流和脉动流下温度分布特性进行了研究，主要得到以下结论。

1) 通过对系统光学特性、染色剂特性、后处理技术的评价与优化，得到了LIF技术在温度场测量时所需的关键参数。

2) 获得了稳态流和脉动流下棒束通道内温度分布情况，采用温度波动因子，对温度分布特性的影响进行了评价，稳态流时，温度波动约在格架下游(3～4)Dh处达到最大值，之后会逐渐降低，脉动流时，温度波动约在(2～3)Dh处达到最大值，远离格架时，温度波动也会出现明显变化。

3) 结合定位格架上搅混翼的分布，对温度分布进行了分析，有助于对定位格架性能的评价。