一种辐射在线吹扫装置、控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于辐射吹扫技术领域，尤其涉及一种辐射在线吹扫装置、控制系统及控制方法。

背景技术

目前，气体保护技术的原理是在被保护物周围形成气体保护层，从而隔绝外界物质。根据被保护物物理化性质的不同，可采用不同的气体介质。常用的保护气体介质有还原性气体(如氢气、氮气)、惰性气体(如氦气、氩气)、氧化性气体(如二氧化碳)。现阶段在国内外众多学者大量的实验研究下，气体保护技术可用于各种环境条件，隔绝效果能很好地满足要求，主要应用于焊接、熔炼和铸造、食品工业、粉尘工业等领域。

在焊接领域中，为防止融化的金属与空气中的成分发生反应而产生空泡和一些化合物，气体保护技术被运用到焊接中使熔池隔绝外部环境。Mohanavel等研究表明，合理的保护气体流量可以提高焊接接头的冲击强度。在熔炼和铸造中，被保护物体积通常较大，且一般处于高温高压环境，使用气体作为保护介质具有很大的优势。You等发明了一种镁合金熔池气体在线保护装置，该装置以SO

为了保证辐射在线测量装置的测量精度，吹扫气体形成的气帘应该均匀地沿流通池横截面分布且要具备一定的刚性和厚度。气溶胶的流动和吹扫系统参数都会影响影响气帘的效果，并且装置部件多，拆卸不便，如果采用实验改造装置的结构，优化气帘效果，成本高且周期长。因此，采用数值模拟的方法研究吹扫气体在系统内部的流动特性具有重要意义。

目前，大量的国内外学者采用数值模拟的手段研究保护气体的流动特性。在焊接领域，樊丁等使用商业软件Phoenics研究焊枪结构参数对焊接保护效果的影响，研究结果表明：当保护气体的流量保持不变时，随着焊枪直径的增大，气流的层流性逐渐变好，保护范围逐渐增大，但流速逐渐减小，挺度逐渐降低，这会导致保护效果变差；套筒的最佳直径范围为8～12mm，这与通过经验公式计算得到的结果相一致。Wang等使用Fluent分析在钛合金激光深熔过程中保护气体对焊接效果的影响，发现随着喷嘴倾角减小和保护气体流量增加，有效保护区域逐渐增大。Dmitry等采用数值模拟的方法，分析风速对以CO

在熔炼和铸造领域，应富强等采用计算流体力学软件Fluent研究了保护气体SF6在镁熔炉中的流动状况，研究结果表明：随着气流速度增大，SF6在镁液表面分布逐渐变的不均匀，镁液表面的保护效果逐渐变差；随着入口处SF6的浓度增大，镁液表面SF6的浓度逐渐增大，但密度差的分布规律没有显著变化。张西和等运用计算流体力学原理和动网格技术研究了罩式炉内以氢气为介质的保护气体的流场特性，研究发现：保护气体的流量与循环风机的转速呈线性关系；随着保护气体沿内罩壁面向上攀升的高度增加，保护气体的流速逐渐降低。李惟毅等分析了保护气体在玻璃锡槽中的速度场分布规律，发现随着锡槽中保护气体增多，仅锡槽前端出现环形流。

通过上述对气体保护技术研究现状的简要介绍可以发现，采用合理的结构参数和输入参数，保护气体可以有效地隔离被保护物和外界环境，同时数值模拟可以准确预测保护气体的流动特征。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的气溶胶的流动和吹扫系统参数都会影响气帘的效果，并且装置部件多，结构不合理，拆卸不便；如果采用实验改造装置的结构，优化气帘效果，成本高且周期长。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种辐射在线吹扫装置、控制系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种辐射在线吹扫装置的控制方法，所述辐射在线吹扫装置的控制方法包括：

结合辐射在线测量装置的改造要求，运用计算流体力学相关知识，采用数值模拟方法，分别分析导流区参数和流通区结构对吹扫系统性能的影响。

进一步，导流区输入参数为吹扫气体速度，结构参数包括气体旋转管道直径、气体旋转管道长度、垂直整流区高度及水平整流区宽度；流通区结构的影响因素包括封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管的相对位置及溢流管与封板距离。

进一步，所述辐射在线吹扫装置的控制方法包括以下步骤：

步骤一，采用计算机数值模拟的方法，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析吹扫气体速度、旋转管道直径、旋转管道长度、垂直整流区高度以及水平整流区宽度对吹扫系统的影响；

步骤二，采用计算机数值模拟的方法，结合辐射在线测量装置改造要求，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响，最终得到符合要求的吹扫系统。

进一步，所述步骤一中的分析吹扫气体速度、旋转管道直径、旋转管道长度、垂直整流区高度以及水平整流区宽度对吹扫系统的影响包括：

(1)分析吹扫气体速度的影响，确定吹扫气体速度2m/s为最优工况；

(2)分析气体旋转管道直径的影响，确定气体旋转管道直径9mm为最优工况；

(3)分析气体旋转管道长度的影响，确定气体旋转管道长度410mm为最优工况；

(4)分析气体垂直整流区高度的影响，确定气体垂直整流区高度7mm为最优工况；

(5)分析气体水平整流区宽度的影响，确定水平整流区宽度80mm为最优工况。

进一步，所述步骤二中的分析封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响包括：

(1)分析封板直径的影响，确定封板直径70mm作为改造计划原始工况；

(2)分析封板夹层厚度的影响，确定封板夹层厚度1.5mm为最优工况。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的辐射在线吹扫装置的控制方法的辐射在线吹扫装置的控制系统，所述辐射在线吹扫装置的控制系统包括：

导流区参数影响分析模块，用于采用计算机数值模拟的方法，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析吹扫气体速度、旋转区高度、旋转区半径、垂直整流区高度以及气流宽度对吹扫系统的影响；

流通区结构影响分析模块，用于采用计算机数值模拟的方法，结合辐射在线测量装置改造要求，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响，最终得到符合要求的吹扫系统。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的辐射在线吹扫装置的控制方法的辐射在线吹扫装置，所述辐射在线吹扫装置包括导流区和流通区。

其中，所述导流区包括气体进口管道、气体旋转管道、垂直整流区、水平整流区和限流区；其中，气体旋转管道在沿气体进口管道轴向和径向的长度按1：2分配，直径保持一致；垂直整流区宽度、水平整流区宽度和限流区宽度保持一致；

所述流通区包括气体出口管道、溢流管、封板和流通池；其中封板由流通池顶端壁面的封板探测区和封板夹层组成，且封板夹层上壁面与封板探测区位于同一平面上；封板探测区上方摆放辐射探测器，下方为气溶胶与吹扫气体混合物；封板直径指封板夹层弧形区域外径；气体出口管沿水平方向布置，溢流管与水平面夹角为45°。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的辐射在线吹扫装置的控制方法步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的辐射在线吹扫装置的控制方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的辐射在线吹扫装置。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

本发明采用计算机数值模拟的方法，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，深入分析了吹扫气体速度、旋转区高度、旋转区半径、垂直整流区高度以及气流宽度对吹扫系统的影响，得出以下结论：

(1)随着吹扫气体速度的增大，气体沿流通池壁面下冲行程增大，气体出口侧和溢流管侧气溶胶所受压制力差值增大，同时流通池内部旋流作用增强，因此向封板探测区流动的气溶胶增多。综合考虑后，选取吹扫气体速度2m/s作为最优工况。

(2)随着气体旋转管道直径增大，气流进入垂直整流区的速度减小，旋涡减弱且气流与壁面的碰撞减弱，吹扫气体消耗的能量减少，封板夹层水平喷出的气体速度增大，气体出口管道侧与溢流管侧气溶胶所受压制力差值增大，气溶胶浓度分布变差。综合考虑后选取气体旋转管道直径9mm作为下一步分析的原始工况。

(3)随着气体旋转管道长度的增大，气体沿流通池壁面下冲行程增大，气体出口侧和溢流管侧气溶胶所受压制力差值增大，气溶胶浓度增大。综合考虑后选取气体旋转管道长度410mm作为最优工况。

(4)当气体垂直整流区高度由0mm增加到7mm时，吹扫气体在水平整流区速度分布均匀，气帘均匀性增大，气溶胶浓度减小。高度继续增加时，虽然气帘均匀性增大，但是封板夹层水平向前喷出的吹扫气体速度减小，气帘刚性降低，因此气溶胶浓度增加。综合考虑后选取垂直整流区高度7mm作为最优工况。

(5)当水平整流区宽度由50mm增加到80mm时，气帘覆盖面积增加且向封板探测区流动的气溶胶速度方向趋于水平，气溶胶浓度分布变优。宽度继续增加时，封板夹层水平向前喷出的吹扫气体速度减小，气帘刚性降低，同时封板下方局部高速区增大，气帘均匀性变差，因此气溶胶浓度分布变差。综合考虑后选取气流宽度80mm作为最优工况。

(6)通过对比导流区参数对气溶胶分布的影响发现，水平限流区宽度影响最显著，吹扫气体速度影响次之。通过优化导流区参数，气溶胶浓度分布得到极大地改善。此时在封板探测区下方80mm范围内流通池截面气溶胶浓度最低为17ppm，最高为362ppm。

本发明采用计算机数值模拟的方法，结合辐射在线测量装置改造要求，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，深入分析封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响，最终得到符合要求的吹扫系统。本发明所得的结论如下：1)当封板直径由50mm增加到55mm时，从封板夹层流向流通池中心的吹扫气体增多，气帘厚度增大但刚性不足，气溶胶浓度增大。直径继续增加时，气帘覆盖面积增大且流向流通池中心的吹扫气体进一步增多，气帘厚度和刚度均增大，气溶胶浓度降低。综合考虑后，选取封板直径70mm作为最优工况。2)当封板夹层厚度由1mm增加到1.5mm时，限流区末端速度减小，气体出口侧和溢流管侧气溶胶所受压制力差值减小同时流通池内部旋流作用减弱，气溶胶低浓度区增加。当厚度进一步增加时，气帘不均匀性增加且覆盖面积减小，气溶胶低浓度区减小。综合考虑，选取封板夹层厚度1.5mm作为最优工况。

本发明通过优化吹扫系统输入参数和结构参数，保证在封板探测区下方80mm范围内，沿流通池轴线方向截面气溶胶浓度小于10ppm。本发明通过导流区参数对吹扫系统性能的影响分析，封板探测区下方气溶胶浓度分布得到极大地改善，辐射在线测量装置工作的可靠性显著提高。

本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：采用气体吹扫，非直接接触的方式，将气溶胶对封板探测区下方结构的影响降到了最低，优化了气帘的结构和保护效果。实现了对气溶胶沾污的自动清洗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的辐射在线吹扫装置的控制方法流程图；

图2是本发明实施例提供的流通池纵截面流场矢量图；图(a)为2m/s，图(b)为2.5m/s，图(c)为3m/s，图(d)为3.5m/s，图(e)为4m/s；

图3是本发明实施例提供的流通池纵截面气溶胶浓度分布云图；(a)为2m/s，(b)为2.5m/s，(c)为3m/s，(d)为3.5m/s，(e)为4m/s；

图4是本发明实施例提供的沿流通池轴线方向截面气溶胶浓度变化曲线图；

图5是本发明实施例提供的水平和垂直整流区截面流场矢量图；(a)为9mm，(b)为10.5mm，(c)为12mm，(d)为13.5mm，(e)为15mm；

图6是本发明实施例提供的流通池纵截面气溶胶浓度分布云图；(a)为9mm，(b)为10.5mm，(c)为12mm，(d)为13.5mm，(e)为15mm；

图7是本发明实施例提供的气溶胶浓度变化曲线图；

图8是本发明实施例提供的封板探测区下方4mm位置截面流场矢量图；(a)为410mm，(b)为470mm，(c)为530mm，(d)为590mm，(e)为650mm；

图9是本发明实施例提供的流通池纵截面气溶胶浓度分布云图；(a)为410mm，(b)为470mm，(c)为530mm，(d)为590mm，(e)为650mm；

图10是本发明实施例提供的气溶胶浓度变化曲线图；

图11是本发明实施例提供的水平和垂直整流区截面流场矢量图；(a)为0mm，(b)为3.5mm，(c)为7mm，(d)为10.5mm，(e)为14mm；

图12是本发明实施例提供的水平整流区流场矢量图；(a)为0mm，(b)为3.5mm，(c)为7mm，(d)为10.5mm，(e)为14mm；

图13是本发明实施例提供的气溶胶浓度分布云图；(a)为0mm，(b)为3.5mm，(c)为7mm，(d)为10.5mm，(e)为14mm；

图14是本发明实施例提供的气溶胶浓度变化曲线图；

图15是本发明实施例提供的流通池纵截面流场矢量图；(a)为50mm，(b)为60mm，(c)为80mm，(d)为100mm，(e)为120mm；

图16是本发明实施例提供的封板下方流通池壁面流场矢量图；(a)为50mm，(b)为60mm，(c)为80mm，(d)为100mm，(e)为120mm；

图17是本发明实施例提供的流通池纵截面气溶胶浓度分布云图；(a)为50mm，(b)为60mm，(c)为80mm，(d)为100mm，(e)为120mm；

图18是本发明实施例提供的气溶胶浓度变化曲线图；

图19是本发明实施例提供的上封板下方0.5mm位置截面速度云图和流线图；(a)为50mm，(b)为55mm，(c)为60mm，(d)为65mm，(e)为70mm；

图20是本发明实施例提供的流通池纵截面气溶胶浓度分布云图；(a)为50mm，(b)为55mm，(c)为60mm，(d)为65mm，(e)为70mm；

图21是本发明实施例提供的气溶胶浓度变化曲线图；

图22是本发明实施例提供的上封板下方0.5mm位置截面速度云图和流线图；(a)为1mm，(b)为1.5mm，(c)为2mm，(d)为2.5mm，(e)为3mm；

图23是本发明实施例提供的流通池纵截面气溶胶浓度分布云图；(a)为1mm，(b)为1.5mm，(c)为2mm，(d)为2.5mm，(e)为3mm；

图24是本发明实施例提供的气溶胶浓度变化曲线图；

图25是本发明实施例提供的导流区示意图；

图26是本发明实施例提供的限流区主要尺寸示意图；

图27是本发明实施例提供的流通区示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种辐射在线吹扫装置、控制系统及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

本发明实施例提供的辐射在线吹扫装置的控制方法包括：

结合辐射在线测量装置的改造要求，运用计算流体力学相关知识，采用数值模拟方法，分别分析导流区参数和流通区结构对吹扫系统性能的影响。

其中，导流区输入参数为吹扫气体速度，结构参数包括气体旋转管道直径、气体旋转管道长度、垂直整流区高度及水平整流区宽度；流通区结构的影响因素包括封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管的相对位置及溢流管与封板距离。

如图1所示，本发明实施例提供的辐射在线吹扫装置的控制方法包括以下步骤：

S101，采用计算机数值模拟的方法，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析吹扫气体速度、气体旋转管道直径、气体旋转管道长度、垂直整流区高度及水平整流区宽度对吹扫系统的影响；

S102，采用计算机数值模拟的方法，结合辐射在线测量装置改造要求，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响，最终得到符合要求的吹扫系统。

本发明实施案例提供的步骤S101中的分析吹扫气体速度、旋转区高度、旋转区半径、垂直整流区高度以及气流宽度对吹扫系统的影响包括：

(1)分析吹扫气体速度的影响，确定吹扫气体速度2m/s为最优工况；

(2)分析气体旋转管道直径的影响，确定气体旋转管道直径9mm为最优工况；

(3)分析气体旋转管道长度的影响，确定气体旋转管道长度410mm为最优工况；

(4)分析气体垂直整流区高度的影响，确定气体垂直整流区高度7mm为最优工况；

(5)分析气体水平整流区宽度的影响，确定气体水平整流区宽度80mm为最优工况。

本发明实施例提供的步骤S102中的分析封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响包括：

(1)分析封板直径的影响，确定封板直径70mm作为改造计划原始工况；

(2)分析封板夹层厚度的影响，确定封板夹层厚度1.5mm为最优工况。

本发明实施例提供的辐射在线吹扫装置的控制系统包括：

导流区参数影响分析模块，用于采用计算机数值模拟的方法，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析吹扫气体速度、气体旋转管道直径、气体旋转管道长度、垂直整流区高度及水平整流区宽度对吹扫系统的影响；

流通区结构影响分析模块，用于采用计算机数值模拟的方法，结合辐射在线测量装置改造要求，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，分析封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响，最终得到符合要求的吹扫系统。

本发明实施例提供的辐射在线吹扫装置包括导流区和流通区。

图25为导流区示意图。导流区主要结构有气体进口管道、气体旋转管道、垂直整流区、水平整流区和限流区。限流区宽度如图26所示。垂直整流区宽度、水平整流区宽度和限流区宽度保持一致。

图27为流通区示意图。流通区主要结构有气体出口管道、溢流管、封板和流通池。其中封板由封板探测区(流通池顶端壁面)和封板夹层组成，且封板夹层上壁面与封板探测区位于同一平面上。封板探测区上方摆放辐射探测器，下方为气溶胶与吹扫气体混合物。封板直径指封板夹层弧形区域外径。气体出口管沿水平方向布置，溢流管与水平面夹角为45°。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

1、导流区参数对吹扫系统性能影响

导流区主要用于优化吹扫气体的流动状态，对气帘的形成有重要影响。本发明实施例结合辐射在线测量装置的改造要求，运用计算流体力学相关知识，采用数值模拟方法，分析导流区参数对吹扫系统性能的影响。本发明实施例分析的导流区输入参数为吹扫气体速度，结构参数包括气气体旋转管道直径、气体旋转管道长度、垂直整流区高度及水平整流区宽度。

1.1吹扫气体速度的影响

吹扫系统通过从气体入口通入惰性气体在流通池形成气帘以压制上升的气溶胶。吹扫气体速度过小，刚性差，气溶胶会穿透气帘，污染流通池封板；气流速度过大，冲击性强，气溶胶受到的压制作用过大，可能同样造成封板下方充满气溶胶。因此，本发明将深入分析吹扫气体速度对吹扫系统的影响。原始工况中的吹扫气体速度为3m/s，四种改造工况的速度分别为2m/s、2.5m/s、3.5m/s和4m/s，其他参数与原始工况保持一致。

图2为流通池纵截面流场矢量图。可以看出，五种工况流场呈现相似的分布规律。吹扫气体从封板夹层水平向前喷出后，受流通池壁面阻碍作用沿壁面向下流动，在距离封板探测区下方110mm左右位置向溢流管侧流动，到达溢流管侧后有部分吹扫气体和气溶胶的混合物向封板流动。随着吹扫气体速度的增大，气体沿流通池壁面下冲行程增大，在气体出口管下方折向位置滞后，与气溶胶间的局部作用增强，这会导致向溢流管流动的气溶胶增多。此外，吹扫气体与气溶胶形成的混合物在流通池中形成了3个旋涡。第一个旋涡位于靠近气体出口管道侧的封板探测区下方，随着吹扫速度的增大，旋涡旋转强度逐渐增大，大小没有明显变化，这将增强此处卷吸气溶胶的能力，增大封板探测区下方80mm范围内气溶胶浓度。第二个旋涡位于封板探测区下方20mm左右位置，随着气体速度的增大，旋涡的旋转强度和范围逐渐增大，从而卷吸更多的气溶胶至封板探测区。第三个旋涡位于封板下方90mm左右位置，随着吹扫速度的增大，旋涡的旋转强度和范围逐渐减小，这是由于随着速度增大，大量的吹扫气体和气溶胶的混合物流经此处后向封板流动，破坏了旋涡的形成条件。

图3为流通池纵截面气溶胶浓度分布云图。可以发现，当吹扫气体速度从2m/s增加到3m/s时，气溶胶浓度场分布规律相似。在封板探测区附近，气体紧靠封板沿水平方向向前流动，流动产生的冲击力使大量上升的气溶胶无法接近封板；与溢流管侧相比，气体出口管道侧气溶胶浓度明显较低，结合图2流场矢量图分析知，这是由于吹扫气体流动产生的冲击力将沿程的气溶胶吹扫至溢流管侧，而溢流管在单位时间内排出的气溶胶量有限。三种工况的区别是随着气体速度增大，封板探测区下方80mm范围内气溶胶浓度逐渐增大，结合图2流场矢量图分析知，造成这种现象的原因主要有二个：第一，这是因为气体速度增大导致气体出口管道侧的气溶胶受到更大的压制作用，更多的气溶胶流向溢流管侧而无法完全排出，被迫向封板流动；第二，这是由于封板探测区下方的旋涡强度和范围增大，卷吸作用增强。当速度增大到3.5m/s时，由于气体出口侧和溢流管侧气溶胶所受压制力差值进一步增大，同时流通池内部旋流作用显著增强，除封板探测区附近位置外，流通池几乎完全被气溶胶充满。当速度继续增大到4m/s时，流通池完全被气溶胶充满。因此，随着吹扫气体速度的增大，气溶胶浓度增大，辐射在线测量装置工作可靠性降低。

图4为沿流通池轴线方向截面气溶胶浓度变化曲线图。可以发现，随着吹扫气体速度增加，气溶胶浓度逐渐增大，这与以上高速不利于吹扫的分析相吻合。随着流通池横截面与封板探测区距离增大，气体速度对气溶胶浓度的影响呈现逐渐增强的趋势，推测可能是由于沿流通池轴线向下，气帘压制效果变差而气溶胶向上的冲击力增强。综上，选取吹扫气体速度2m/s作为最优工况。

1.2气体旋转管道直径的影响

通过降低吹扫气体速度，在封板探测区下方80mm范围内流通池截面气溶胶浓度最低值由4750ppm降至772ppm，最高值由12518ppm降至2827ppm，气溶胶浓度场分布得到改善。但速度进一步降低将产生负面影响：第一，气帘刚性降低，当核废料挥发的气溶胶含量增加时，气溶胶向上的冲击力增强，可能会穿透气帘，污染封板；第二，溢流管的出气量减小，其内部气体发展不充分导致外部空气发生回流而影响气溶胶的排出。因此选取最优工况吹扫气流速度2m/s分析导流区结构参数对吹扫系统的影响。气体进入旋转区被分为两部分，然后在垂直整流区汇合，考虑到改变气体旋转管道直径将改变两部分气流汇合时的接触面积和碰撞速度，因此本发明深入分析气体旋转管道直径对吹扫系统的影响。原始工况中的气体旋转区高度为9mm，四种改造工况的直径分别为10.5mm、12mm、13.5mm和15mm，其他参数与原始工况保持一致。

图5为水平和垂直整流区截面流场矢量图。从图中可以看出，五种工况流场呈现相似的分布规律。两股气流由旋转区进入垂直整流区并未直接碰撞，而是以一定角度与下方壁面碰撞。在两股气流之间和垂直整流区两侧有旋涡形成。随着气体旋转区高度增加，由于气体总流量不变而气体流动截面积增加，气流进入垂直整流区的速度逐渐减小，这导致两股气流之间和垂直整流区两侧形成的旋涡强度逐渐减弱，同时也导致气流与壁面的碰撞减弱，因此吹扫气体在这里消耗的能量减少，限流区末端水平喷出的吹扫气体速度增大，从而封板夹层水平喷出的吹扫气体速度也将增大。

图6为流通池纵截面气溶胶浓度分布云图。从云图中可以发现，气体旋转管道直径9mm和10.5mm工况气溶胶浓度场分布规律相似。当直径增加到12mm时，气体出口管道侧气溶胶浓度增大，结合图5流场矢量图分析知，这是由于封板夹层水平喷出的吹扫气体速度增大，气体沿流通池壁面向下流动的速度增加，大量气溶胶流向溢流管不能完全排出，被迫向封板流动，这里的情况与高速吹扫一致。当高度由12mm继续增加时，气溶胶浓度分布没有明显变化，这可能是因为气流速度减小，能量损耗幅度减小，封板夹层水平喷出的吹扫气体速度大小没有显著差别。

图7为气溶胶浓度变化曲线图。随着气体旋转管道直径增加，气溶胶浓度呈现逐渐增大的趋势。综合考虑后选取气体旋转管道直径9mm作为最优工况。

1.3气体旋转管道长度的影响

通过分析发现，随着气体旋转管道直径减小，气溶胶分布变优。由于气体进口管直径为8mm，气体旋转管道直径进一步减小受到限制，且与吹扫气体速度相比，气体旋转管道直径对吹扫系统的影响较小，因此继续气体旋转管道直径无法对气溶胶浓度分布产生显著的优化作用。本发明选取最优工况气体旋转管道直径9mm，深入分析气体旋转管道长度对吹扫系统的影响。原始工况中的气体旋转区半径为410mm，四种改造工况的半径分别为470mm、530mm、590mm和650mm，其他参数与原始工况保持一致。

图8为封板探测区下方4mm位置流通池截面流场矢量图。从图中可以看出，在气体旋转管道长度半径下，五种工况的流场分布规律相似。结合图2流场矢量图分析知，吹扫气体从封板夹层水平向前喷出，受到流通池壁面阻碍作用，一部分沿流通池壁面向下流动，另一部分沿流通池壁面周向水平流动，这部分吹扫气体与流通池截面中部的高速气体形成两个对称的旋涡。当气体旋转管道长度由410mm增加到470mm时，高速区范围变大，且旋涡增强，说明气体沿流通池壁面向下流速增大。当管道长度进一步增加，高速区范围和旋涡没有明显变化，这可能是由于气体在管道里发展更充分，吹扫系统内部流场趋于稳定。

图9为流通池纵截面气溶胶浓度分布云图。可以看出，当气体旋转管道长度由410mm增加到650mm时，气体出口管道侧气溶胶浓度逐渐增大，结合图8流场矢量图知，这是因为气体旋转管道长度增大导致气体沿流通池壁面向下流动的速度增加，气体出口侧与溢流管侧气溶胶所受压制力差值增大，向封板探测区流动的气溶胶增多，这里的情况与高速吹扫一致。此外，当气体旋转管道长度由410mm增加到470mm时，气体出口管道侧气溶胶浓度增加幅度最大，这可能是气体沿流通池壁面向下流动的速度增加幅度较大导致的。

图10为气溶胶浓度变化曲线图。可以看出，随着气体旋转管道长度的增加，气溶胶浓度呈现逐渐增大的规律，这与图9气溶胶浓度云图分布规律一致。综合考虑，选取气气体旋转管道长度410mm作为最优工况。

1.4气体垂直整流区高度的影响

通过对1.3节的分析可以发现，气体旋转区半径对吹扫系统的影响有限，此时在封板探测区下方80mm范围内流通池截面气溶胶浓度最低为641ppm，最高为2491ppm。结合1.2节的分析知，吹扫气体会在垂直整流区形成旋涡，随着垂直整流区高度的变化，旋涡范围和强度会发生变化，吹扫气体在限流区末端的速度受到影响，从而气溶胶浓度分布发生变化。因此，选取最优工况气体旋转管道长度410mm，分析气体垂直整流区高度对吹扫系统的影响。原始工况中的气体垂直整流区高度为7mm，四种改造工况中的高度分别为0mm、3.5mm、10.5mm和14mm，其他参数与原始工况保持一致。

图11为水平和垂直整流区截面流场矢量图。随着垂直整流区高度增加，整流区截面两侧形成的旋涡强度和范围逐渐增大，两股气流逐渐靠近，碰撞增强，同时由于两股气流的流速没有显著变化，气流之间的旋涡没有明显变化，所以气体在此处消耗的能量增加，封板夹层水平向前喷出的吹扫气体速度减小。

图12为水平整流区流场矢量图。从图中可以看出，随着垂直整流区高度增加，两股气流与壁面的碰撞位置逐渐靠近且速度方向夹角变小，汇合时产生的高速区减小，速度分布变均匀，这将导致气帘的均匀性增加。这主要是因为两股气流在垂直整流区流程增大，发展更加充分。从图中还可以看出，随着高度增加，两股气流与壁面的碰撞速度逐渐减小，结合图11分析知，这一方面是因为气流在垂直整流区能量消耗增加，速度减小，另一方面是由于气流在垂直整流区发展更加充分，局部高速区减小。

图13为气溶胶浓度分布云图。可以发现，当垂直整流区高度由0mm增加到7mm时，靠近气体出口侧气溶胶低浓度区逐渐增大。结合图12水平整流区流场矢量图分析知，这主要是由于吹扫气体在水平整流区速度分布逐渐均匀，气帘均匀性增加。当高度继续增加时，气溶胶低浓度区逐渐减小，结合图11和图12流场矢量图分析知，虽然气帘均匀性增加，但是封板夹层水平向前喷出的气体速度减小，气帘刚性降低，气溶胶穿透气帘流向封板。当垂直整流区高度为7mm时，气溶胶低浓度区达到最大值，这可能是因为此时气帘均匀性和刚性均较优。

图14为气溶胶浓度变化曲线图。从图中可以看出，随着垂直整流区高度增加，气溶胶浓度呈现先降低后增大的趋势，这与图13气溶胶浓度云图分布规律相吻合。当高度由10.5mm增加到14mm时，气溶胶浓度变化很小，说明此时气溶胶浓度分布受高度的影响较小，这可能是由于吹扫系统内部流场趋于稳定。综合考虑，选取气体垂直整流区高度7mm作为最优工况。

1.5气体水平整流区宽度的影响

本发明中的水平整流区宽度和垂直整流区宽度与限流区宽度宽度相同。为保持垂直整流区、水平整流区和限流区结构的一致性，减小装置加工难度，在分析气体水平整流区宽度的影响过程中，同时改变三者的宽度。通过1.2节的分析知，气体会在垂直整流区初次汇合，垂直整流区宽度的变化可能影响两股气流的汇合过程。水平整流区的宽度影响气体流动方向截面积大小，限流区宽度可能直接影响气帘覆盖面积和刚性。因此，选取最优工况气体垂直整流区高度7mm，深入分析气体水平整流区宽度对吹扫系统的影响。原始工况中的气体水平整流区宽度为60mm，四种改造工况的气体水平整流区宽度分别为50mm、80mm、100mm和120mm，其他参数与原始工况保持一致。

图15为流通池纵截面流场矢量图。可以看出，随着气体水平整流区宽度的增加，由于吹扫气体的流动截面积增大，封板夹层水平向前喷出的吹扫气体速度降低，这会导致气帘的刚性降低。此外，随着气体水平整流区宽度的增加，向封板探测区流动的气溶胶速度矢量方向逐渐水平，这有利于减小气溶胶浓度，同时封板探测区下方15mm位置吹扫气体局部高速区增大，这会减小气帘的均匀性，增大气溶胶浓度。

图16为封板下方流通池壁面流场矢量图。可以发现，随着气体水平整流区宽度增大，五种工况呈现相似的流场分布规律。吹扫气体从封板夹层水平向前喷出，受流通池壁面阻碍作用，一部分沿流通池壁面向下流动，另一部分沿壁面周向流动。随着气体水平整流区宽度增大，沿壁面周向流动的气体逐渐增多，说明气帘覆盖面积增加。

图17为流通池纵截面气溶胶浓度分布云图。从云图可以看出，当气体水平整流区宽度由50mm增加到80mm时，气溶胶浓度逐渐降低，结合图15和图16的流场分析知，造成这种现象的原因主要有二个：第一，这是由于上升气溶胶的速度方向趋向水平，更容易被吹扫气体携带至溢流管排出；第二，此时整流区宽度已增加至与流通池直径相等，这导致气帘覆盖面积增加，气帘均匀性增强。当宽度继续增加时，气溶胶低浓度区逐渐减小，结合图15的流场分析知，这一方面是由于封板夹层水平向前喷出的吹扫气体速度减小，气帘刚性降低，另一方面这是因为封板下方15mm位置吹扫气体局部高速区增大，气帘均匀性变差。

图18为气溶胶浓度变化曲线图。可以看出，随着气体水平整流区宽度增加，气溶胶浓度先减小后增加，这与图17气溶胶浓度云图分布规律相吻合。通过曲线图还可以看出，当气体水平整流区宽度由50mm增加到80mm时，气溶胶浓度减小幅度明显大于气体水平整流区宽度由80mm增加到120mm时气溶胶增加的幅度，且当气体水平整流区宽度为80mm、100mm和120mm时，气溶胶浓度曲线差别较小，说明当气体水平整流区宽度大于80mm时，气溶胶浓度分布受到的影响较小。这是由于流通池的直径为80mm，当气体水平整流区宽度不小于80mm时，吹扫气体形成的气帘在水平方向上的覆盖面积均接近流通池沿轴线方向截面积，气溶胶受到的压制力更加均匀，有利于溢流管排出气溶胶。综合上述分析，选取气流宽度80mm作为下一步改造计划原始工况。

1.6小结

本发明采用计算机数值模拟的方法，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，深入分析了吹扫气体速度、旋转管道直径、旋转管道长度、垂直整流区高度以及气体水平整流区宽度对吹扫系统的影响，得出以下结论：

(1)随着吹扫气体速度的增大，气体沿流通池壁面下冲行程增大，气体出口侧和溢流管侧气溶胶所受压制力差值增大，同时流通池内部旋流作用增强，因此向封板探测区流动的气溶胶增多。综合考虑后，选取吹扫气体速度2m/s作为最优工况。

(2)随着气体旋转管道直径增大，气流进入垂直整流区的速度减小，旋涡减弱且气流与壁面的碰撞减弱，吹扫气体消耗的能量减少，封板夹层水平喷出的气体速度增大，气体出口管道侧与溢流管侧气溶胶所受压制力差值增大，气溶胶浓度分布变差。综合考虑后选取气体旋转管道直径9mm做为下一步分析的原始工况。

(3)随着气体旋转管道长度增大，气体沿流通池壁面下冲行程增大，气体出口侧和溢流管侧气溶胶所受压制力差值增大，气溶胶浓度增大。综合考虑后选取气体旋转管道长度410mm作为最优工况。

(4)当气体垂直整流区高度由0mm增加到7mm时，吹扫气体在水平整流区速度分布均匀，气帘均匀性增大，气溶胶浓度减小。高度继续增加时，虽然气帘均匀性增大，但是封板夹层水平向前喷出的吹扫气体速度减小，气帘刚性降低，因此气溶胶浓度增加。综合考虑后选取垂直整流区高度7mm作为最优工况。

(5)当气体水平整流区宽度由50mm增加到80mm时，气帘覆盖面积增加且向封板探测区流动的气溶胶速度方向趋于水平，气溶胶浓度分布变优。宽度继续增加时，封板夹层水平向前喷出的吹扫气体速度减小，气帘刚性降低，同时封板下方局部高速区增大，气帘均匀性变差，因此气溶胶浓度分布变差。综合考虑后选取气流宽度80mm作为最优工况。

(6)通过对比导流区参数对气溶胶分布的影响发现，气体水平整流区宽度影响最显著，吹扫气体速度影响次之。通过优化导流区参数，气溶胶浓度分布得到极大地改善。此时在封板探测区下方80mm范围内流通池截面气溶胶浓度最低为17ppm，最高为362ppm。

2、流通区结构对吹扫系统性能影响

本发明实施例结合辐射在线测量装置的改造要求，分析流通区结构对吹扫系统性能的影响以进一步降低气溶胶浓度，影响因素包括封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管的相对位置以及溢流管与封板距离。

2.1封板直径的影响

本发明选取1.5节中的最优工况气流宽度80mm，深入分析封板直径对吹扫系统的影响。原始工况中的封板直径为60mm，四种改造工况的直径分别为50mm、55mm、65mm和70mm，其他参数与原始工况保持一致。

图19为上封板下方0.5mm位置截面速度云图和流线图。可以看出，随着封板直径增大，由于向封板夹层内部流动的高速吹扫气体增多，夹层内部高速区占比增大且气体流程增大，这有利于增大气帘覆盖面积，也有利于减小气体沿流通池壁面向下流动的速度，从而减小气体出口侧与溢流管侧气溶胶所受压制力差值，降低气溶胶浓度。

图19为上封板下方0.5mm位置截面速度云图和流线图。可以看出，随着封板直径增大，由于向封板夹层内部流动的高速吹扫气体增多，夹层内部高速区占比增大且气体流程增大，这有利于增大气帘覆盖面积，也有利于减小气体沿流通池壁面向下流动的速度，从而减小气体出口侧与溢流管侧气溶胶所受压制力差值，降低气溶胶浓度。

图20为流通池纵截面气溶胶浓度分布云图。可以发现，当封板直径由50mm增加到55mm时，气溶胶同时向气体出口管道侧和封板移动，封板探测区下方30mm左右位置气溶胶浓度显著增大，这可能是因为从封板夹层流向流通池中心的吹扫气体增多，气帘厚度增加但刚性不足，将更多的溢流管侧的气溶胶压向封板探测区下方30mm左右位置。当直径增加到60mm时，气溶胶浓度减小，这主要是由于从封板夹层流向流通池中心的吹扫气体进一步增多，气帘厚度和刚性均增加，将气溶胶压向气体出口侧，然后由沿流通池壁面向下流动的吹扫气体携带至溢流管口排出。当直径由60mm继续增加时，气溶胶浓度进一步减小。结合图19流场分析知，这是气帘覆盖面积、厚度和刚性均有所改善导致的。

图21为气溶胶浓度变化曲线图。从图中可以看出，随着封板直径增大，气溶胶浓度先增大后减小，这与图20气溶胶浓度云图所呈现的趋势一致。值得注意的是，当直径为50mm时，封板探测区下方40～80mm范围气溶胶浓度增加明显变慢，说明气帘在此区域内的压制效果基本消失，气帘厚度不够。当直径增加到55mm时，气溶胶浓度增长率转折点稍显滞后，说明厚度有所增加。当直径继续增加时，气溶胶浓度沿流通池高度方向的增长率变化趋势基本一致，说明气帘厚度进一步得到改善，这印证了气帘厚度增大的猜测。综合考虑，选取封板直径70mm作为下一步改造计划原始工况。

2.2封板夹层厚度的影响

吹扫气体由限流区进入封板夹层后，一部分气体水平向前流动进入流通池，另一部分气体首先沿封板夹层流动，然后进入流通池。封板夹层厚度可能影响吹扫气体在夹层中的流程，从而影响气帘覆盖面积，因此本节选取最优工况封板直径70mm，深入分析封板夹层厚度对吹扫系统的影响。但夹层厚度减小不利于封板的清洗过程，因此本节只增大封板夹层厚度。为减小装置加工难度，改变封板夹层厚度时，保持水平整流区上壁面、限流区上壁面和封板上壁面处于同一平面。原始工况中的封板夹层厚度为1mm，四种改造工况的厚度分别为1.5mm、2mm、2.5mm和3mm，其他参数与原始工况保持一致。

图22为上封板下方0.5mm位置截面速度云图和流线图。可以看出，随着封板夹层厚度增加，夹层内部高速区占比降低同时气体流程减小，这会减小气帘覆盖面积。由于吹扫气体流动截面积增加，限流区速度减小，这将导致气体沿流通池壁面向下流动的速度减小，降低气溶胶浓度。由图22还可以看出，在水平整流区，随着厚度增加，两股气流逐渐靠近，与下方壁面撞击点的距离减小，流线不均匀性增加，这将导致气帘均匀性变差。

图23为流通池纵截面气溶胶浓度分布云图。由云图可以发现，当封板夹层厚度由1mm增加到1.5mm时，气溶胶低浓区略微增大，这是因为限流区末端速度减小，气体出口侧与溢流管侧气溶胶所受压制力差值减小且流通池内部旋流作用减弱。当厚度进一步增加时，向封板流动的气溶胶增多，气溶胶低浓度区减小，结合图22流场分析知，这是由于水平整流区速度不均匀性增加且气帘覆盖面积减小，气帘均匀性变差。

图24为气溶胶浓度变化曲线图。随着封板夹层厚度增加，气溶胶浓度呈现先减小后增大的趋势，这与气溶胶浓度云图分布规律相吻合。值得注意的是，当厚度由2.5mm增加到3mm时，在封板探测区下方大约48～80mm范围内，气溶胶浓度减小，这导致气溶胶沿流通池高度方向的分布差别变小。结合图23气溶胶浓度云图分析知，这是因为气帘均匀性变差但对气溶胶的整体压制效果没有显著变化，有气溶胶从气帘较差的区域流向封板探测区而溢流管的气溶胶排量没有明显差别。综合考虑后，选取封板夹层厚度1.5mm作为最优工况。

2.3小结

本发明采用计算机数值模拟的方法，结合辐射在线测量装置改造要求，通过分析吹扫系统内部流场和流通池纵截面气溶胶浓度分布规律，深入分析了封板直径、封板夹层厚度、溢流管与气体出口管相对位置和溢流管与封板距离对吹扫系统性能的影响，最终得到符合要求的吹扫系统。本发明所得的结论如下：

(1)当封板直径由50mm增加到55mm时，从封板夹层流向流通池中心的吹扫气体增多，气帘厚度增大但刚性不足，气溶胶浓度增大。直径继续增加时，气帘覆盖面积增大且流向流通池中心的吹扫气体进一步增多，气帘厚度和刚度均增大，气溶胶浓度降低。综合考虑后，选取封板直径70mm作为最优工况。

(2)当封板夹层厚度由1mm增加到1.5mm时，限流区末端速度减小，气体出口侧和溢流管侧气溶胶所受压制力差值减小同时流通池内部旋流作用减弱，气溶胶低浓度区增加。当厚度进一步增加时，气帘不均匀性增加且覆盖面积减小，气溶胶低浓度区减小。综合考虑，选取封板夹层厚度1.5mm作为最优工况。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。