棒束通道内定位格架搅混特性PIV可视化研究

李 兴，谭思超, *，祁沛垚，米争鹏，何宇豪

(1.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； 2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610041)

燃料组件是核电站反应堆系统的核心部件，是核裂变反应的发生地，也是核动力系统热源，因此其性能直接影响核反应堆系统的可靠性、安全性和经济性[1]。定位格架作为燃料组件的重要部件，在燃料组件中不仅起到定位、支撑和夹持的作用，而且定位格架上方设置的搅混装置对反应堆热工水力特性的影响十分显著，如带搅混翼的定位格架，相比于无搅混翼格架，可使燃料组件内临界热流密度提高20%以上，使热工性能明显改善[2]。因此开展定位格架搅混性能研究有助于燃料组件的性能优化，对反应堆系统设计和安全运行十分重要。

国内外不少学者采用计算流体力学(CFD)方法对燃料组件内定位格架搅混作用下的三维流场开展了一系列研究，相对于其他方法具有显著的经济性和灵活性，能更好地优化燃料组件热工水力性能。然而目前通过CFD计算模拟燃料组件内部流动传热特性的准确性和可靠性仍需进一步验证，模型适用性还要继续改进与完善[3-7]。对于模拟燃料组件的实验研究可很好地补充CFD计算短板，但传统的测量方法已无法满足人们对测量精度以及测量范围的要求，因此对于燃料组件的结构设计仍迫切需要一种能提供准确、可靠、全场的测量方法。

随着测量技术的发展和进步，先进的可视化测量技术被应用到棒束通道内流场的测量，国外学者应用粒子图像测速(PIV)技术针对带定位格架的棒束通道内流场研究较多[8-12]。受到棒束通道复杂结构和缺乏测量技术的限制，国内多集中于棒束通道内阻力特性研究[13-14]，而开展针对棒束通道的可视化研究较少[15]。本文应用PIV技术对带有定位格架的5×5棒束通道内冷却剂流动特性开展可视化研究。通过设计光路系统，针对定位格架的搅混性能开展定位格架上下游流场测量，分析不同流速、格架间距对棒束通道流场的影响，为今后燃料组件的设计和优化提供重要参考。

1 实验装置

棒束通道流动可视化实验系统主要包括流动回路、可视化实验本体、光学系统、数据采集系统以及相关仪表设备，如图1所示。可视化实验本体以及光学系统固定于减震平台以尽量降低由振动引入的测量误差。

图1 实验回路系统Fig.1 Experiment flow system

1.1 实验回路

实验回路包括循环回路和外部冷却回路。循环回路主要包含循环水箱、循环泵、过滤器、温度传感器、流量计、压力计、5×5棒束实验本体(燃料组件模拟体)以及相应的连接管道阀门等。外部冷却回路主要由换热器以及连接管组成。换热器放置在水箱中，主要是保证循环回路中去离子水温度恒定。

实验开始前，需将去离子水加热到一定温度，以降低水中含氧量，防止在运行过程中产生气泡影响拍摄效果。实验在常温常压下进行，实验过程中，水箱中的水由循环泵驱动后流经流量计进入5×5棒束通道实验段，循环流量通过回路阀门与旁通阀门的开度调节。通过流量计、温度计及压力计监控系统的流动状态。

1.2 实验本体

实验本体采用5×5棒束正方形矩阵排列，具体通道参数如图2所示。棒束通道实验本体作为燃料组件的模拟体，是流场的测量实施区域，要求具有良好的可视化性能。实验本体主要包括可视化流道筒体与可视化棒束。

图2 棒束通道Fig.2 Rod bundle

流道筒体四壁由透明有机玻璃粘接而成，两端通过螺栓链接，方便拆卸。本体入口处设有蜂窝板、孔板，用以整流，以尽量降低入口效应的影响。在实验本体的顶部边缘设有排气阀，用于实验初始阶段的充水排气，排气孔设置在本体的外缘，目的是防止横截面拍摄时遮挡流道。

棒束结构采用氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)材料，FEP的折射率为1.338，与水的折射率匹配误差为0.375%，可有效减小相界面变化引入的示踪粒子位移误差[12]。但FEP材料对光的吸收率较大，所以壁厚选择0.35 mm，整个模拟燃料棒呈高度透明状态。为避免流体经过定位格架后改变流向冲击棒束进而导致流致振动现象发生，通过拉直实验棒束保证准直性。

棒束通道内设置有3个定位格架，定位格架结构如图3所示，包括钢突、弹簧、搅混翼、围板等结构部件，钢突和弹簧主要起固定和夹持棒束的作用，搅混翼主要对流场引入横向搅混。

图3 定位格架几何结构Fig.3 Schematic diagram of spacer grid

2 PIV测量系统

PIV测量系统由高速摄影仪、连续激光器、系统控制软件、后处理软件以及相关的光学透镜和支架组成。具体PIV系统参数列于表1。

表1 PIV系统参数Table 1 PIV parameter

PIV技术是一种基于流场中粒子图像互相关分析的非接触式流场测量技术，能无扰动、精确有效地测量流速分布。利用PIV技术测量流场时，需在流场中散播比重适当、跟随性较强的示踪粒子，用流场中示踪粒子的运动可基本表征流体微团运动；片光源照亮测量区域，同时使用高速摄影仪俘获粒子移动信息，并记录相邻两张图像的时间步长，进行图像相关计算，识别示踪粒子在相邻两张图像中的位置，从而确定粒子位移，得到流场分布[16]。

应用PIV技术测量流场时，示踪粒子的选取对测量精度至关重要。受棒束通道复杂流场行为的限制，实验选择聚酰胺粒子(粒子直径10 μm，比重1.04 g/mL)，并应用斯托克斯数(St)评价该粒子的示踪行为[17]。示踪粒子的斯托克斯数是粒子的松弛时间τp和流体特征时间τk之比，计算如下：

St=τp/τk

(1)

(2)

τk=Dh/U

(3)

其中，ρp、dp、μ、Dh、U分别为粒子密度、粒子直径、循环工质动力黏度、通道的水力直径和通道内流速。经计算，棒束通道内示踪粒子的斯托克斯数为0.000 6，远小于1，说明该粒子对棒束通道内流场具有良好的跟踪效果。

PIV后处理程序为LaVision公司的二维PIV处理软件Davis，互相关计算窗口为16 pixel×16 pixel，窗口内的粒子数量为5～10个，相邻图像的粒子位移为7.8 pixel，重叠窗口为0.5，对应实际分辨率为0.52 mm×0.52 mm。摄影仪的拍摄速度为4 000帧/s，粒子的横向位移小于激光平面的25%，这样的条件可确保互相关的准确进行。在应用PIV技术测量流速的过程中，测量误差主要来源于标定误差、图像匹配误差、粒子位移误差、时间误差等，实验过程中误差来源是相互独立、互不影响的。棒束通道内速度测量不确定度参照日本可视化协会计算方法[18]，速度误差uc的计算公式为：

uc=

(4)

式中：u为粒子速度；M为采集图像和实际物体的放大倍数；X为后处理中识别粒子位移；Δt为两帧图像之间的时间差；δu为粒子速度与流体速度误差。

表2列出棒束通道内主流速为1 000 mm/s时对应的主要误差贡献，速度测量总不确定度为6.9%。

表2 PIV不确定度评估Table 2 PIV uncertainty analysis

3 流场结果及分析

3.1 试验工况

实验在常温常压下进行，针对定位格架的搅混特性研究，应用PIV技术测量带定位格架以及不带定位格架棒束通道内A截面和B截面流场分布(图4)；针对定位格架在不同流速条件下的流体搅混性能，开展棒束通道内流速为500 mm/s和1 000 mm/s的流场测量。另外，通过改变棒束通道内定位格架之间的间距，分析不同间距(210、240、260 mm)下定位格架对棒束通道内流场的作用规律。

图4 测量平面Fig.4 Measuring plane

3.2 格架上下游速度分布

为直观展示定位格架对棒束通道内流场的搅混作用，开展了定位格架上下游以及不带格架棒束通道相应位置的流场测量，并获得了流场的信息。

图5为不带定位格架以及带定位格架的棒束通道内流场分布。原格架上、下游位置的横向速度(u)和纵向速度(v)如图6所示。

由图6发现，原定位格架位置处上、下游的速度分布差异较小。棒束通道内横向速度较低，几乎为轴向速度的1/100，说明棒束通道内流体的横向运动很小，且棒束通道内的横向速度在沿程无明显变化。棒束通道内轴向速度较高，在子通道内基本呈现出子通道中心处轴向速度较大、子通道边缘轴向速度较低，主要是因为子通道边缘棒间隙较小，流体与棒束壁面之间的黏性作用对流体阻力作用更加明显，导致该区域流速较低。由于不带定位格架棒束通道内横向速度较小，导致各子通道之间流体能量交换较低，即流体之间的搅混能力较弱。

图7为棒束通道内单一子通道几何结构，子通道中心为4根棒组成流道的中心位置，子通道边缘为相邻两根棒的间隙。

图5 棒束通道的流场分布Fig.5 Distribution of flow field in rod bundle

图6 不带定位格架棒束通道内速度分布Fig.6 Velocity distribution in rod bundle without spacer grid

图7 子通道几何结构Fig.7 Geometry of sub-channel

棒束通道内平均流速为1 000 mm/s(Re=10 400)时，对应图6中子通道边缘和子通道中心处的速度相差约180 mm/s，为主流速度的18%；棒束通道内平均流速为500 mm/s(Re=5 200)时，子通道中心和边缘的速度相差约80 mm/s，为主流速度的16%；棒束通道内平均流速为150 mm/s(Re=1 700)时，子通道中心和边缘的速度相差约50 mm/s，为主流速度的30%。导致上述现象的主要原因是子通道内流体运动主要受惯性力和壁面黏滞力共同作用，惯性力和黏滞力分别对流体运动的贡献程度是导致子通道中心和边缘速度分布不均的直接原因。低流速时，黏滞力对流体作用明显，对壁面附近流体的阻碍作用明显，导致子通道内速度分布差异明显；高流速时，黏滞力相比惯性力对流体的贡献弱，黏滞力对流体的阻碍作用被削弱，因此子通道内速度差异相对较小。

从图5b可发现，定位格架上游流场直观展示出流速分布相对均匀，子通道之间的速度梯度较小，流体之间的搅混能力较弱；定位格架下游流场直观展示了定位格架对下游流场的搅混性能，上游均匀流体经过定位格架后局部流体运动方向发生明显的变化，且相邻子通道之间的速度梯度明显增大。流体的运动方向发生变化，主要是因为定位格架上的搅混翼改变了流体运动方向，导致平行于搅混翼方向的流速相比于其他位置较高。

截面A定位格架上下游速度分布示于图8。可发现，定位格架上游两个位置横向速度分布差异较小，即在定位格架上游附近横向速度衰减较慢；同样上游两个位置轴向速度分布差异也较小，且水平方向上轴向速度波动幅值较小，因此说明定位格架上游的流体之间搅混较弱，速度分布相对较均匀。经过定位格架后横向速度明显增大，定位格架下游20 mm处的横向位置上纵向速度波动明显增大，说明在定位格架搅混作用下流体之间的动量搅混更加明显；流体向下游运动时横向速度幅值衰减明显，轴向速度在水平方向的波动也减小。相比光棒子通道内的速度分布，除定位格架出口附近由于流道面积变化导致流速分布不均外，定位格架下游黏滞作用对子通道内速度分布的影响较小，子通道内速度差异基本控制在10%以内。

图9为截面B定位格架上下游的速度分布，整体分布趋势与截面A内的速度分布基本相同，但在细节位置上的分布还存在一定的差异，主要是因为两个截面的搅混翼等阻力件的布置方式出现差异，进而导致不同位置的速度分布差异。

3.3 流速影响

为分析定位格架在不同流速下对流体的搅混作用，开展了棒束通道内流速(U)为500 mm/s(Re=5 200)和1 000 mm/s(Re=10 400)条件下定位格架下游流场的测量，并分别提取横向速度与轴向速度的绝对平均值，此时棒束通道流场处于非层流条件下，无量纲化横纵速度为u/U、v/U，如图10所示。在两种流速下棒束通道内无量纲横向速度沿程分布趋势基本无明显变化，在格架下游0～30 mm横向速度增加，到峰值后逐渐减小；然而1 000 mm/s流速工况下无量纲横向速度明显大于500 mm/s条件下无量纲横向速度，说明高流速能促进横向速度的产生，促进幅值约为0.02。通过图10发现，无量纲轴向速度与无量纲横向速度幅值分布相反，1 000 mm/s流速条件下定位格架下游无量纲轴向速度较500 mm/s流速条件下小0.02，主要是因为定位格架对流体的阻力作用随流速的增加更加明显。

图8 截面A定位格架上下游速度分布Fig.8 Velocity distribution upstream and downstream spacer grid in plane A

图9 截面B定位格架上下游速度分布Fig.9 Velocity distribution upstream and downstream spacer grid in plane B

3.4 湍流统计

为直观展示定位格架下游流场的湍流特性，采用横向、轴向速度均方根(RMS)来评价定位格架下游的速度波动特点，计算公式如下：

(5)

(6)

其中：URMS(x,y)为横向速度均方根；VRMS(x,y)为轴向速度均方根；ui(x,y)、vi(x,y)为某一时刻某一位置内的速度；U(x,y)、V(x,y)为该位置一段时间平均速度。

图11为测量平面A和B的速度均方根分布云图。可看出，定位格架下游附近横向、轴向速度均方根较大，表明定位格架导致流体速度波动增大；轴向速度均方根较横向速度均方根大，主要是因为定位格架对轴向速度阻碍作用明显，流体经过定位格架，流道面积发生明显变化，局部位置会出现射流现象，导致下游轴向速度的波动较大。

图12为不同格架间距(210、240、260 mm)下定位格架下游横向速度和轴向速度均方根的沿程分布。由图12可知，不同间距条件下定位格架对下游流场的影响不明显，横向速度的波动经过定位格架后迅速衰减，到下游约150 mm处趋于平缓；轴向速度波动变化规律基本相同，经过定位格架后波动明显衰减，直到约40 mm后，才趋于平缓。

图10 不同流速下横向、轴向速度沿程变化Fig.10 Streamwise development of lateral velocity and longitudinal velocity under different main flows

图11 定位格架下游速度均方根分布Fig.11 RMS distribution of velocity downstream spacer grid

图12 横向、轴向速度均方根变化Fig.12 RMS distribution of lateral velocity and longitudinal velocity

4 结论

应用PIV技术在常温常压条件下实现了棒束通道复杂流场信息测量，测量结果直观展现了棒束通道定位格架对流场的搅混性能。对比分析了有无格架棒束通道内流场在常温常压下的分布特征，定量分析了定位格架在低参数下对棒束通道流场搅混的贡献程度。

1) 光棒子通道内子通道边缘与中心的速度差异在层流与湍流条件下表现出明显的区别；定位格架搅混特性改变了棒束通道内速度分布特征，减小了子通道内速度幅值上的差异。

2) 高流速下定位格架对横向流速起促进作用，对轴向速度的阻碍作用明显增加；反之，低流速条件下定位格架不利于横向速度产生，对轴向速度的抑制作用相比高流速较弱。

3) 轴向速度波动较横向速度波动明显，且横向速度在定位格架下游150 mm处衰减趋于平缓，轴向速度在定位格架下游40 mm以后衰减趋于平缓。