一种模拟安全壳内置换料水箱自然对流过程的试验装置

技术领域

本发明涉及一种换料水箱自然对流过程的试验装置，具体涉及一种模拟安全壳内置换料水箱自然对流过程的试验装置，属于热工水力试验专用的试验系统领域。

背景技术

因运行稳定可靠，IRWST在国核一号、华龙一号等第三代核电技术中得到了广泛应用。停堆换料工况下，IRWST作为燃料组件更换的外部容器，承担了放射性物质的包容功能；事故工况下，IRWST作为重要的安全级设备，可与不同专设安全系统配合，承担换热热阱、冷凝水源、安注水源等多种功能，如在AP1000、CAP1400等非能动核电厂中，当非能动余热排除系统运行时，IRWST水箱作为热阱，可通过非能动余热排除换热器(PRHR HX)排出堆芯衰变热，实现主冷却剂系统的降温降压；又如在破口失水事故(LOCA)后期，IRWST可作为水源，用以提供低压安注的冷却水。此外，LOCA事故下，在自动降压系统(ADS)降压阶段，经ADS1-3释放的主冷却剂系统(RCS)高温蒸汽，在喷洒器的作用下，也会在IRWST内完成冷凝，并用于补充RCS水装量。

对于非能动型核电厂，在非破口类事故和破口类事故初期，都需借助PRHR HX的换热向IRWST内输运堆芯衰变热，IRWST内靠近PRHR HX的局部位置水温会快速升高，并在重力作用下形成自然对流。因事故过程具备持续瞬态变化的特征，IRWST内部的自然对流过程也一直处于非稳定状态。

IRWST的设计概念最早由美国西屋公司提出，西屋公司针对IRWST内的冷凝、重力排水等过程开展了部分试验；俄勒冈州立大学、华北电力大学等研究机构针对PRHR HX，也先后开展了IRWST水箱内换热过程的试验研究。但这些研究均以PRHR HX传热过程为主要研究内容，所得试验结果也均为一维参数；对于IRWST内部复杂的自然对流过程，目前仍缺少专门的实验研究。本发明即针对IRWST的换热热阱作用，利用激光诊断技术，获得缩比IRWST内的速度场和温度场，为CFD三维计算分析的验证提供实验数据。

发明内容

本发明的目的是为了解决核电工程中IRWST设计的试验验证及分析问题而提供的一种模拟安全壳内置换料水箱自然对流过程的试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种模拟安全壳内置换料水箱自然对流过程的试验装置，包括试验水箱、C型加热棒束、PIV示踪粒子、光学测量系统和辅助系统；所述试验水箱为正方体且顶部开口三个侧面可视，所述C型加热棒束采用三角形排布方式固定试验水箱不可视一侧，居中布置，两侧完全对称，所述试验水箱充满去离子水和PIV示踪粒子，所述光学测量系统包括激光器、高清摄像仪、图像采集及处理系统，所述辅助系统包括加热系统、冷却系统和信号采集系统。

所述电加热棒功率单独控制，其电加热功率与棒表面的热流密度与原型一致，电加热棒内部发热元件采用非均匀布置；

所述C型加热棒束由5-7根加热功率相同但尺寸不同的电加热棒组成，单根加热棒额定电压为220V，加热功率为3kW；

所述PIV示踪粒子采用聚酰胺树脂颗粒，其直径为10μm，折射率为1.582，密度为1.04g/cm3；

所述高清摄像仪与激光器光源正交布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本试验装置专门针对核电原型IRWST内的自然对流现象设计，能够在特定加热功率和水温组合条件下得到IRWST模拟体内的温度分布和流速分布，获得这些参数随时间变化的规律，可以准确复现原型核电厂在不同事故条件下IRWST内的自然对流现象，并获得自然对流现象随时间的演化规律。此外通过改变加热功率、加热形式(常数或加热曲线)和工质温度等参数，本试验装置还能用于模拟或研究不同参数对IRWST内自然对流现象的影响程度。基于相似理论，实现核电厂IRWST原型内自然对流现象的准确再现，并提供高分辨率的二维速度场和温度场试验数据，为IRWST原型的设计优化、计算流体力学软件的验证等提供高质量的试验数据，是本发明可实现的主要效果。

附图说明

图1为试验装置的整体效果图；其中1为试验水箱，2为C型加热棒束，3为激光器，4为高清摄像仪，5为电力调整器，6为工控机；

图2是试验水箱简图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明针对第三代核电设计中广泛采用的IRWST设计及其热工水力现象，采用相似原理对IRWST进行缩比，结合激光诊断测量技术，获得试验段内的速度场和温度场，用于研究事故工况下核电厂IRWST内自然对流现象的演化过程及机理，并可分析加热功率、水箱温度等因素对自然对流过程的影响规律，进而为IRWST的设计优化提供依据。

本发明的目的是为了解决核电工程中IRWST设计的试验验证及分析问题而提供的一种IRWST缩比试验装置。

本试验水箱(IRWST模拟体)针对先进压水堆中广泛应用的IRWST设计，以其内部的复杂自然对流现象为模拟对象，采用流动相似准则和动力相似准则确定试验装置的关键结构参数，保证试验段几何结构与IRWST原型具备相同的流动特征和热工水力状态。通过改变加热功率、初始温度等参数对自然对流的演化过程进行实验研究，重点关注温度分布、流动分布的变化规律，为第三代先进压水堆IRWST应用的有效性和设计优化提供试验依据。

本发明主要解决的科学问题如下：

瞬态自然对流过程是决定事故初期IRWST内冷热分层的主导过程，对PRHR HX换热能力、IRWST安注等事故条件下的安全功能也具有显著影响。基于自然对流现象的控制方程，在适当简化的同时兼顾不同IRWST的设计特点，准确且合理地复现IRWST内的瞬态自然对流过程，采用先进的可视化测量技术，以确定且尽量小的不确定度获得能够准确反映IRWST内温度分布和流动分布的二维场数据，就是本发明拟解决的关键科学问题。

本发明目的的实现过程如下：

本试验装置主要由试验水箱(IRWST模拟体)、C型加热棒束、PIV示踪粒子、光学测量系统和辅助系统等部分组成，附图1给出了试验装置的整体效果。

试验水箱设计为正方形，顶部为开口设计，由PC耐力板和304不锈钢加工而成；除底面和C型加热棒束安装面外，试验水箱其余3个侧面均设有尺寸为0.5m×0.6m的可视化窗口，以便为光学测量系统提供测量视窗。

C型加热棒束由5根加热功率相同但尺寸不同的电加热棒组成，单根加热棒额定电压为220V，加热功率为3kW，采用三角形布管。C型加热棒束与水箱模拟体安装后，即构成了顶部开口、三个侧面可视、内部包含C型加热棒束的试验水箱，加入去离子水和PIV示踪粒子，并给加热棒通电后即可模拟IRWST内的自然对流现象。

光学测量系统由激光器、高清摄像仪、图像采集及处理系统等组成，用于实现流场和温度场的光学测量。

辅助系统主要包括加热系统、冷却系统和信号采集系统等辅助子系统，用于辅助试验装置实现加热功率控制、工质水温稳定、试验信号采集等功能。

实验过程中，IRWST模拟体内充满水，水中均匀布置PIV示踪粒子，C型加热棒束通电加热，其附近的工质受热膨胀，密度变小，因试验水箱内靠近壁面的工质温度较低，密度保持不变，在重力作用下水箱内的受热工质与近壁面工质因密度差形成自然对流。利用激光器通过试验水箱侧面的测量视窗照射水箱内流体，再利用高清摄像仪对特定截面处流体内的PIV示踪粒子进行拍摄(如附图1所示)，获得PIV示踪粒子的成像信息，进而获得缩比IRWST内流体的速度场和温度场，完成自然对流现象的再现。

附图1为试验装置的整体效果图，同时对测量过程进行了示意。试验回路主要包含试验水箱、C型加热棒束、PIV示踪粒子、光学测量系统和必要的辅助系统。C型加热棒束以焊接形式安装在试验水箱内部一个侧面上，试验水箱内部充满特定体积的去离子水和PIV示踪粒子。利用光学测量系统中的激光光源照射测量平面，将高速摄像机与激光光源正交布置，通过工控机及相应测量软件即可实现对测量平面粒子运动的观察和测量，获得自然对流过程中的温度场和流场信息。

附图2为试验水箱简图，主要展示试验水箱的三维结构，以说明C型加热棒、PC耐力板、辅助系统的空间位置和安装方式。此外，试验水箱侧面上的C型加热棒安装孔也为三角形排布方式。试验水箱的结构尺寸，可根据不同核电厂IRWST原型的水装量和缩比要求设定。

有关试验装置的详细技术方案如下：

本试验装置主要由试验水箱、C型加热棒束、光学测量系统和辅助系统组成，其中C型加热棒和试验水箱的设计主要确保自然对流现象的整体相似，光学测量系统的设计按照流场和温度场测量的需求，辅助系统包含加热系统和冷却系统，其设计均以可靠地提供试验边界条件为主要原则。

为确保C型加热棒附近的流体满足自然对流相似，C型加热棒的设计分为水平段和竖直段两部分，其中水平段直径10mm，与原型管径相同，水平长度缩比；竖直段直径10mm，与原型管径相同，竖直长度缩比。

C型加热棒额定电压为220V，额定加热功率为3000W，由304不锈钢管弯制而成，其内部布置有电加热丝，通过导热和对流与IRWST中的水进行换热。电加热棒的功率可单独控制，其电加热功率可保证棒表面的热流密度与原型一致，电加热棒内部发热元件采用非均匀布置，从而模拟C型管换热功率的不均匀分布。

加热棒数量为5-7根，由总加热功率与单根加热棒功率的比值确定；根据本试验装置的相似关系，加热棒数量也可由试验水箱等效直径比的平方除以换热管直径比得到。

加热棒采用三角形排布方式固定在IRWST模拟水箱不锈钢板一侧，居中布置，两侧完全对称；根据排列的需要，加热棒有三种不同的长度，即5根加热棒包含一根长管，一根短管，三根平均管，其中长管距离水箱底部高度为93mm，相邻两加热棒水平段轴心距为20mm，竖直轴心距40mm。

试验水箱采用正方体设计，顶部开口，长、宽、高尺寸为700×700×800mm，其容积设计考虑了试验过程中其内工质达到沸腾的时间与原型水箱一致。为实现可视化测量，除一个侧面安装C型加热棒外，其余三个侧面均镂空并设置500×600mm的可视化窗口，以便应用激光诊断技术。

IRWST模拟体由304不锈钢和PC耐力板组成，其中304不锈钢用于构建试验装置的主体结构，固定C型加热棒的侧面全部采用304不锈钢，且其上钻孔从而与加热棒连接；镂空的三个侧面嵌入15mm厚的PC耐力板，PC板具有高透光性、耐高温、高强度等优点，可确保实验过程中可视化窗口在持续高温条件不发生形变，且能满足可视化测量的要求。

PIV示踪粒子采用聚酰胺树脂颗粒，其直径为10μm，折射率为1.582，密度为1.04g/cm3，与水的密度接近，能够较好地满足跟随性和散光性的要求。

光学测量系统包含激光器、高清摄像仪、光学支撑平台、图像采集及处理系统等设备，其中激光器选用片状连续型激光器，以确保可视化测量的效果；高清摄像仪由高速摄像机及配套镜头组成，由光学支撑平台将激光发射器光源与高速摄像机呈正交方式布置；激光器发射的激光经过光学透镜将散射形成片状激光包络整个测量平面，为保证能够如实反映所测平面的二维速度分布，片激光厚度要控制在1mm以下；高速摄像机经网络与工控机连接，借助特定的测量软件，可实时观察测量平面粒子的运动，并每隔一段时间控制高速摄像机拍摄一组照片，获得测量平面内的流场和温度场分布；基于获得图像数据，采用图像处理系统可提取示踪粒子的运动位移并计算运动速度，将速度场可视化，并以速度矢量图和流线图的形式予以展现。

加热系统主要用于为C型加热棒提供电力，并实现加热功率可控，该系统由电力调整器控制、电脑端控制板卡和C型加热棒组成，加热功能主要由电力调整器控制，通过调节C型加热棒的加热电压实现对加热功率的控制，根据试验要求的不同，可以采用恒定电压和线性衰减电压两种方式控制加热功率。

冷却系统主要用于调整IRWST模拟水箱内工质的温度及其分布，该系统由螺旋式紫铜管及其附属管道构成。系统一端接自来水，另一端接大容积贮水箱，均采用软管连接。使用时将螺旋式紫铜管浸置于试验水箱中远离C型加热棒束的一侧，通以低流速自来水，自来水在螺旋管换热器内自上而下盘旋流动，与试验水箱内流体逆流换热，通过对流换热实现螺旋紫铜管管侧温升与壳侧温降的匹配，实现试验水箱内温度的有效调整，并在一定程度上消除试验水箱内的热分层现象，实现温度均一。正式试验前，冷却系统移除。此外，螺旋式紫铜管端部设置挂钩，便于使用时固定。

IRWST模拟水箱内部的流体满足自模化，试验时其水装量应确保水箱升温速率与原型水箱的升温速率一致。

试验装置运行操作步骤如下：

(1)确认加热棒控制电力调整器可靠接地，确认IRWST模拟体完好无泄漏，确保控制系统连接无误。

(2)清洗IRWST模拟水箱，确认无残留的PIV粒子；向IRWST模拟水箱内注入去离子水至特定水位，停止加水。

(3)C型加热棒设定为恒定功率，将水加热至沸腾状态，并保持沸腾状态超过半个小时，尽可能除去水中的不可凝气体。

(4)在加热IRWST模拟水箱的同时布置激光器和高速相机，并向水箱内散布PIV粒子并不断搅混，使粒子分布均匀，煮沸后关闭加热棒。

(5)用螺旋式紫铜管冷却并不断搅拌以消除IRWST模拟水箱内热分层现象，通过加热或冷却以调节当前工况所需初始水温，待仪表读数稳定，开始试验。

(6)每组工况需要拍摄多个平面，每次换面时重复步骤4-5并重新进行PIV标定以完成所需工况的实验数据。

(7)实验完成后，确认加热电源和测量仪表关闭，确认水箱密封良好，待IRWST模拟水箱内温度冷却到某一较低温度后，将回路中的水排出。

(8)更换试验条件，重复步骤1-6，获得加热功率形式、初始温度等对IRWST内自然对流现象的影响规律。

本发明的创新之处在于：

1.专门针对事故条件下IRWST内的自然对流现象，基于相似理论开展试验段缩比设计，通过试验边界条件的调整，即可实现试验装置内自然对流过程与国核一号、华龙一号等第三代核电厂IRWST内的自然对流过程满足相似关系，实现了自然对流这一复杂三维现象的准确再现，为IRWST内自然对流现象的机理研究提供了基础，并为IRWST工程设计的验证和优化提供了试验支持。

2.本试验装置采用可视化测量技术作为测量手段，专门结合激光诊断技术的应用需求进行了试验段设计优化，通过使用高速激光器和高速相机，实现了三维物理场的实时精确测量，获得的试验段内三维流场和温度场数据，可为CFD等三维计算分析工具的验证提供高质量数据。