[发明专利]一种基于折射率补偿的流场可视化测量实验装置

说明书

本发明公开了一种基于折射率补偿的流场可视化测量的实验装置，包括主回路系统、第一冷却回路系统、第二冷却回路系统和旁通支路，旁通支路将主回路系统分割成第一部分和第二部分，第一冷却系统位于第一部分，第二冷却回路系统位于第二部分，第一部分包括液体箱、常规离心主泵和主换热器，第一冷却系统也包括主换热器，第一冷却系统通过主换热器带走常规离心主泵对流体做功产生的热量，从而对主回路系统进行控温，第二部分包括电磁流量计和试验段，第二冷却回路系统设置在电磁流量计和试验段之间，第二冷却回路系统被设置为调控试验段的流体温度，旁通支路调节通过试验段的流量。

技术领域

本发明涉及一种流场可视化测量技术领域，尤其涉及一种基于折射率补偿的流场可视化测量技术。

背景技术

复杂几何条件下的湍流流场可视化测量是流体力学中的难题。在复杂几何条件下，需要使用高精度的折射率补偿技术(Matched Index of Refraction，MIR)，利用高透光性的透明固体材料和液体材料，实现光学无障碍光路，使可视化测量所使用的激光能够顺利到达测量位置，实现流场可视化测量。从而避免了不透明的材料对光学测量需要的激光的遮挡，也避免与液体折射率不同的透明材料对激光的折射。在不同的应用背景下，需要使用不同的折射率补偿技术，以适应不同的测量需求。

在核反应堆中，燃料组件有多种形式，例如定位格架型棒束燃料组件、绕丝型棒束燃料组件、球形燃料组件等。不同类型核燃料组件的共同点是：复杂几何下的高雷诺数湍流流动。多种复杂几何结构的燃料组件为湍流流场的测量可视化测量带来了极大挑战。燃料组件内流场分布决定了传热的分布，并用于分析燃料组件传热设计的合理性和优缺点，从而改进和与优化核燃料的设计，从核燃料组件的设计阶段保证核燃料的安全性，并提高其经济性。因此，核燃料组件内的流动测量成为了核反应堆研究的关键问题之一。

美国约翰霍普金斯大学(The Johns Hopkins University)设计有与本技术相似的折射率补偿实验装置实验方案(参考：O.Uzol,Y.-C.Chow,J.Katz,C.Meneveau.Unobstructed particle image velocimetry measurements within anaxial turbo-pump using liquid and blades with matched refractiveindices.Experiments in Fluids 33(2002)909–919.)。该实验装置包括一台轴流式涡轮泵、整流器、电磁流量计、稳压器、冷却系统和试验段。该实验装置使用了碘化钠水溶液与有机玻璃进行折射率补偿。实验过程中，碘化钠水溶液通过轴流式涡轮泵的驱动，冷却系统、稳压器、电磁流量计、整流器，进入试验段。试验段是一个直径216毫米的泵用叶片，管道直径300毫米，最大流量是700立方米每小时。

由于碘化钠水溶液的折射率与其质量浓度和温度都呈线性函数关系，并且和质量浓度的线性关系斜率大，和温度的线性关系斜率很小，故可以利用此性质实现质量浓度粗调结合温度细调的方式，实现碘化钠水溶液的折射率连续精细可调。在实验过程中，使用管道外包覆的冷却系统控制实验装置的温度，控制精度为1℃。

此外，碘化钠水溶液在光照条件下容易和氧气反应，形成碘单质，溶解在水中呈现黄褐色，大大降低了折射率补偿实验效果；同时，碘单质溶于水后形成碘三离子(I3^-)，吸收绿色可见光，而可视化实验使用的激光大多是绿色光，故激光强度会沿着激光前进方向急剧降低，大大降低折射率补偿实验效果。因此，需要对碘化钠水溶液进行脱氧处理。在约翰霍普金斯大学折射率补偿实验装置中，使用了以下几种方法除去实验装置中的氧气。

脱氧方法如下所述。首先，脱氧处理时，维持实验装置处于低压状态，使实验装置中的气体从液体中析出，轴流式涡轮泵低速运行，缓缓地把气体驱赶进入稳压器，然后从稳压器中排入空气中。其次，完成上述步骤后，立即向稳压器中充入氮气保持实验装置的压力高于外界大气压力，防止空气进入实验装置中。每天执行脱氧处理，保持实验装置内的碘化钠水溶液处于良好的状态。