一种面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量系统及其测量方法

本发明属于核反应堆热工水力两相流测量，具体涉及一种面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量系统及其测量方法。

背景技术：

1、在反应堆核心燃料组件的热工水力学实验研究中，棒束通道内高温液态金属两相流的瞬态相态分布是评估换热性能与反应堆安全裕量的关键。

2、然而，由于液态金属具有高的固有电导率、光学不透明性以及高温强腐蚀特性，使得针对液态金属两相流的实验测量本身已属行业公认难题。

3、当测量流道进一步复杂化为具备多棒密集排布特征的棒束通道时，两相流的测量难度呈现指数级提升。棒束通道内部由错综复杂的子通道交织而成，物理空间狭小且存在严重的空间几何遮挡。一方面，传统的电导探针或测量线路为了在高温重载的高速液流下保证机械刚性，其电极外部的绝缘保护套管通常较为粗大；受限于棒束间的紧凑间隙与遮挡，这类大体积探针在物理空间上难以放置，难以实现高密度的离散布点；若强行在局部子通道内布置多支探针，粗大套管自身的宏观体积将产生严重的截面机械堵塞，并引入难以预测的绕流阻力与偏流扰动，破坏了反应堆组件的原型流场结构。

4、另一方面，传统的丝网传感器（wire mesh-air sensor , wms）严重依赖纵横交错的双层悬空正交金属线结构。一旦引入棒束通道的液态金属环境中，附着在密集燃料棒束圆形外表面以及流道管壁面上的连续液态金属高导电液膜，会引发传感器全局性的电学短路或液体架桥硬短路，完全丧失了相态分辨能力。此外，受限于传统引线的悬空走线路径，现有的测量设备在物理空间上无法触及或布设到定位格架的夹持限位叶片区、棒与棒之间仅数毫米的窄缝死角位点、以及非规则的外围边界子通道内；这些典型复杂不规则几何边界区域存在巨大的热工测量盲区，使得传统手段无法有效获得棒束通道内两相流相态的三维高时空分辨率分布数据。基于此，如何在维持棒束组件原型通道流场低扰动的前提下，消除棒束内部空间几何遮挡与复杂边界盲区，实现棒束通道高分辨率三维相态全场测量，是当前流体测量与核热工水力领域亟待解决的技术问题。

5、由于介质不同，传统水相测量中很多问题在液态金属测量中需要重新考量，尤其是液态金属具有强导电性，当两相流流经通道时，附着在棒束表面及壁面上的连续液态金属液膜会表现出电学上的“超导短路”特性。传统用于常规流体的丝网传感器均采用双层悬空正交金属线结构。一旦引入液态金属流场中，这种悬空正交网格会被“超导”液膜短路，导致空间电导信号失去局域分辨能力而失效。

6、此外，传统设计为了避免布线对流场的干扰，通常将传感器局限在特定的几何交叉点上，这直接破坏了燃料组件内部棒束通道的原型几何结构。更严重的是，传统布线方式无法触及定位格架夹持区、棒间窄缝死角以及靠近流道外壁的外围边界子通道，在这些复杂边界区域存在的热工测量盲区，无法捕获贴壁液膜的动态演化参数。

7、为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量系统。

技术实现思路

1、本发明提供一种面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量系统及其测量方法，用以解决液态金属液膜超导短路的问题以及嵌入式测量仪器在复杂棒束通道流道测量能力的衰弱问题，实现全场无盲区的高空间分辨率测量。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量系统，所述系统包括流道管1、模拟燃料棒束2以及位于轴向端的激励施加组件和贴附于棒壁的信号接收组件；

4、所述流道管1为垂直放置的柱状，所述流道管1的内部构成了一个用于流体实验的密闭通道，所述流道管1的上部核心区域，沿轴向呈矩阵状设置有多根模拟燃料棒束2，所述模拟燃料棒束2由定位格架10稳固夹持以维持流道间隙，当冷却剂经过模拟燃料棒束2形成的通道的栅格时受到沿程阻力，每一个所述模拟燃料棒束2的探针均引出一个信号引线13，所述信号引线13接入采集模块。

5、进一步的，在所述模拟燃料棒束2外围之间有外围边界子通道11，所述流道管1的角落处形成角区子通道12。

6、进一步的，每一个所述模拟燃料棒束2均包括外壁绝缘涂层4、隔离套管9、接收极金属丝5和耐高温无机绝缘层6；

7、所述外壁绝缘涂层4开有径向过孔8，所述径向过孔8内穿过耐高温无机绝缘层6，所述隔离套管9设置在所述模拟燃料棒束2的中心，所述隔离套管9内装入信号引线13，所述接收极金属丝5于通孔及探出段均包覆有耐高温无机绝缘层6，唯其在棒束内部的传感段呈裸露状态；所述隔离套管9底端与上述耐高温无机绝缘层6抵接定位，所述信号引线13于结构固定后与接收极金属丝5的裸露部位建立电性连接。

8、进一步的，各中空模拟棒管壁上的所述微型暴露测点7沿通道几何长度等间距错落开设，使得整个棒束组件2上的全截面测点随通道宽度增大而上升排布，即沿长度梯度设置的三组不同长度的接收极呈等差或等比排列，三组不同长度的接收极沿着圆周均匀排布，在流道内部勾勒出一个贴向棒壁的虚拟全覆盖测量网格。

9、进一步的，所述模拟燃料棒束2最外围包含了贴近流道管1内壁面的外围棒外围棒面向流道管1内壁面一侧的接收极金属丝5在流场的外围边界子通道11和角区子通道12内对称保留。

10、进一步的，一个所述模拟燃料棒束2所有的信号引线经模拟燃料棒束2的内腔信号引线13接出，在出口处将所有棒束即所有测点的信号引线13汇拢，共同接入采集模块。

11、进一步的，在所述流道管1的轴向总进口和总出口管壁内表面，管壁内表面电绝缘地贴覆有发射极环3，所述发射极环3与信号引线13相连接，所述信号引线13从流道管1的侧壁或顶部引出，并在穿出端安装有绝缘垫片14以实现内部组件与外部daq card及激励信号发射模组之间的可靠绝缘，防止短路。

12、进一步的，所述微型暴露测点7的周向位置被精确对齐并限定在对应的定位格架10的结构夹持限位位点，以及相邻两根模拟燃料棒束2之间靠得最近的流道窄缝死角位点，用以捕捉由于表面张力极易在窄缝处聚拢的极厚液膜。

13、一种面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量方法，所述测量方法使用如上述一种面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量系统，所述测量方法包括以下步骤：

14、激励信号施加的步骤s1：由外部信号源产生高频交流电压信号，将该激励信号施加至贴覆于流道管轴向总进口与总出口管壁内表面的两个发射极环上；两发射极环与管壁内表面电绝缘贴覆且全周接触液态金属流体，使高电导率的液态金属本体在两发射极之间构成一个载流导体，于流道内形成均匀分布的电流密度场；

15、局域信号感知的步骤s2：当带有气泡的液态金属流经棒束通道时，各棒束壁上的微型暴露测点，即接收极金属丝的裸露传感段在浸入液态金属后，与液态金属直接形成电接触，此时对应测点捕获到高电流信号；反之，当测点邻近或接触气泡时，由于气泡与液态金属的电导率存在数个数量级差异，该测点对应的接收极仅能捕获到微弱的低电流信号；各测点的信号引线经模拟燃料棒束内腔的隔离套管汇出，在穿出端经绝缘垫片引出后接入外部采集模块；

16、同步解调与降噪的步骤s3：将信号源输出的同频同相电压波形作为参考基准同步送入锁相解调系统，以该参考基准建立相位标尺，对采集模块获取的各通道高频交流电流信号进行锁相放大处理，提取反映两相流相态分布的幅值与相位信息，从而抑制非同频背景噪声及热电势干扰，获得高信噪比的各测点时间序列电压信号；

17、空间射影反演与图像重构的步骤s4：外部数据采集系统通过高速多路复用开关对棒内引出的引线矩阵进行高频巡检扫描，结合各微型暴露测点精确的轴向、周向空间几何坐标矩阵，将各测点处的时间序列电信号映射为空间分布信息，在消除液膜短路干扰、零引线阻流的前提下，高精度测量出棒束通道内部全场三维两相流相态的截面图像；为后续的气泡界面重构与相界面浓度计算等处理环节提供可靠的测量基础。

18、一种如上述面向棒束通道的液态金属两相流高时空分辨率测量系统，所述测量系统应用于核反应堆热工水力两相流的测量。

19、本发明的有益效果是：

20、本发明通过在每根模拟燃料棒上沿轴向等间距、错落排布微型暴露测点，并利用不同长度的接收极在圆周方向均匀排布，系统在流道内部勾勒出一个贴向棒壁的虚拟全覆盖测量网格。

21、本发明将测点的周向位置精确限定在定位格架夹持位点和相邻棒束间的流道窄缝死角位点，能够敏锐捕捉高风险区域的液膜动态，为反应堆热工水力分析提供更真实的边界条件数据，避免因液膜测量缺失导致的传热计算偏差。

22、本发明采用多层复合保护结构，仅保留传感段裸露，且信号引线通过绝缘垫片穿出，有效保护了内部金属丝和信号线路免受液态金属的侵蚀和短路风险，确保了传感器在极端工况下的长期运行稳定性和电气可靠性。