[发明专利]一种用于两相流空泡份额测量的实验平台

说明书

本发明公开了一种用于两相流空泡份额测量的实验平台，其同时采用射线衰减法与高速摄像法测量水平管两相流空泡份额，在水平管外设计并安置两套相互影响可以忽略的测量装置，这两套装置可以在水平管两相流变化情况下稳定可靠运行，这样一次实验可以获得两组实验数据，且这两组实验数据相互独立，对这两组实验数据进行筛选，使用分析比较的方法处理数据，则可获得高置信度的两相流空泡份额置信区间。

技术领域

本发明涉及反应堆热工水力技术领域，尤其涉及一种用于两相流空泡份额测量的实验平台。

背景技术

空泡份额是气液两相流的基本参数之一，在两相流的研究中处于重要的地位，尤其对反应堆冷却剂及慢化剂密度的计算，堆芯中子动力学和堆的稳定性都具有非常重要的作用。两相流流型的形态有很多，对于水平管来说，依次有：气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流以及雾状流；对于垂直管，也有从分立气泡到雾状流再到环状流的一系列流型。研究两相流理论时，大部分模型都是均相假设或者两相假设，特别是实际应用中的工业管道通常使用均相流模型来处理。其中均相假设最重要的参数之一就是空泡份额(空隙率)，而空泡份额的有效测量成为判断流型以及开展相关计算的关键。

经过过去若干年的发展，两相流在很多领域都涉及，关于两相流空泡份额的测量，也已经发展了很多方法，主要可以分为两类，直接测量法和间接测量法。直接测量空泡份额最为常见的方法是快关阀法、科氏流量计法，间接测量的方法有电学法、光学法、超声波法、导热系数法以及压差波动法等。

在反应堆领域，常见的直接测量方法具有很大的局限性，反应堆冷却剂工作在高温、高压、大流量和强辐射的环境下，对测量方法提出很高的条件。比如快关阀法，会对两相流的稳态造成破坏，不能用于实时测量，通常作为其他测量空泡份额装置的标定；更不能用于冷却回路中。科氏流量计利用管道内流动带来的科氏力，进行流量测量，拥有很好的特性，不会破坏正常流动。但一般只适用于空泡份额低于5％的情形，通过结果修正可以将误差缩小到2％。高于5％的空泡份额，合并的低密度的大气泡会对结果造成很大影响，测量结果方差超过0.08，已经不能满足精确测量的要求。

电学法有着容易受水相杂质影响、温度波动和湿度影响的缺点，往往还需要加入系数修正。如2006年崔海利文章《基于电容层析技术的气液两相流参数检测》，提出的油气两相流质量流量空隙率电容层析成像法在不同典型流型下的均方根误差均小于7％，采用de Leeuw计算式，在泡状流、层状流、塞状流和环状流等几种流型下，可以获得较好的总质量流量和液相质量流量测量结果，不同流型下的总质量流量测量的均方根误差均小于11％。但对于水为液相的情况下，相应的误差会变大；2010年M.J.Da Silva等人使用了高速电容成像系统进行空隙率空间径向分布成像、空隙率时间分布，高达5000帧每秒的采集速度和2.8毫米的分辨率，使用特殊的图像处理算法可以从成像里提取出气泡大小等信息。对于反应堆中，往往还需要考虑放射性以及射线电离产物对电容成像的干扰。

超声波法中比较典型的基本都属于侵入式测量，会对流型造成不良影响，通过小气泡的微小变动就可以引起共振频率的较大偏移，Wenger H C等人通过微波谐振腔频率的测量来确认共振频率，从而确认空隙率。但是2010年陈德华等人利用有限元法模拟系统发现大气泡下共振频率受空隙率影响很小，只能使用平缓的线性进行拟合测量，带来很大误差。所以超声波法一般只适用于空隙率低于3％以下的情况进行精确测量。超声波法对仪器安装和管壁的要求较高，加上超声波受温度变化呈现非线性，穿透能力与超声波对气泡分辨能力固有的矛盾，难以进一步提高精度和反应堆各个实际工况下的稳定性。

导热系数法与超声波法类似，也需要用到热线风速仪以及侵入式的热线探头，因此误差较大。侵入式探头在反应堆中往往需要旁路到测量回路中再进行测量，会对安全、测量准确性造成不良影响。