一种球流定位跟踪实验装置及方法与流程

1.本发明涉及核工程技术领域，具体涉及一种球流定位跟踪实验装置及方法。


背景技术：

2.高温气冷堆采用球床堆芯及不停堆换料技术。燃料球多次通过堆芯，即燃料球从堆芯顶部装入，在重力的作用下向下流经堆芯、裂变产生热量，然后通过专门的卸料装置卸出堆芯，经燃耗测量装置测量燃耗后，未到卸料燃耗限值的燃料球再次通过燃料装卸系统返回堆芯、再次裂变产生热量。多次通过堆芯裂变后达到卸料燃耗的燃料球按乏燃料卸出，装入专门的乏燃料罐中。因此，堆芯是由多次通过、具有不同燃耗水平的燃料球混合组成，并且是始终缓慢流动的。由于球床的球流运动规律决定了不同通过次数、不同燃耗水平的燃料球在堆芯的分布状况，并由此影响堆芯的核燃料分布，进而影响功率分布、温度分布，这些反过来又可能影响球流运动本身，因此，球流运动规律是球床式高温气冷堆的重要研究内容。
3.鉴于其重要性，国内外对球流运动规律进行了广泛而大量的研究，包括台架实验、数值模拟以及对堆芯设计的影响研究。特别是二十世纪五十年代以来，以德国为首的很多国家进行了大量的基于台架的球流实验研究，采用不同球体材料、不同实验比例(包括1:1比例的大型台架)，模拟不同的反应堆工况，对球流规律得到一定的认识和掌握，并用于avr实验堆、thtr原型核电站的设计，同时得到这些反应堆上的运行数据的验证和指导。从二十世纪八十年代开始，中国也对球流进行了大量的实验台架研究，特别是2000年后，在高温气冷堆重大专项框架下，开展了大量的球流实验台架研究，用于支持htr
‑
10、htr
‑
pm的设计和更广泛的球流规律研究。同样，二十世纪九十年代开始，南非也对球流进行了大量的实验和数值模拟研究，用于指导球床模块高温气冷堆(pebble bed modular reactor，pbmr)的设计。
4.综合各高温气冷堆球流研究方法和内容可以发现，燃料球位置检测技术是球流实验的关键技术。然而，传统唯象学方法通过设置标志球对球流运动进行人工观察和记录，虽然准备工作简捷，但是工作量大，只能同时观测少量球，且容易发生人因失误。放射性示踪法的优点是实验可以直接针对三维模型进行，能够更真实地模拟实际堆芯结构，球流轨迹的获取方式也更加客观、可靠，但这种方法的缺点在于，多数情况下，每次实验只能追踪一个放射球的运动，且要求球的运动是非连续的，如果想要获取多条运动轨迹，则需要手动调节放射球的初始投放位置，对实验条件和分析算法的要求非常严苛，实验成功率和准确性都有待提高。此外，放射性示踪法的设备造价昂贵，实验花费较高。x射线投影法可以同时获得球的平移和旋转位移，实验结果可用于验证dem球流运动模拟结果，为研究球床堆燃料球分布和滞留时间提供了一种有效方法，但该方法存在检测正确率低、效率低、对追踪球在整个印料过程中的运动执迹则较为困难等缺陷，其更多地关注大量球在短距高、短时间内的位移。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种二维球流全范围、全程、精确定位跟踪实验装置及方法。
6.本发明的一个方面，提供一种球流定位跟踪实验装置，所述实验装置包括二维堆芯台架、外部循环系统和计算系统；
7.所述二维堆芯台架设置有容纳腔室，以使若干石墨球能够单层平铺在所述容纳腔室内；
8.所述外部循环系统与所述容纳腔室相连通，以使所述若干石墨球在所述容纳腔室中循环流动；
9.所述计算系统与所述外部循环系统电连接，以在从所述容纳腔室中卸出的石墨球达到预设数量时，获取所述容纳腔室中各石墨球的位置图像，并根据各所述位置图像实现对球流的定位和跟踪。
10.在一些实施方式中，所述容纳腔室设置有入球孔和卸球孔，所述外部循环系统包括依次连接的卸球装置、单列机构、计数器和提升循环机构，所述卸球装置与所述卸球孔相连通，所述提升循环机构与所述入球孔相连通。
11.在一些实施方式中，所述计算系统包括至少一个图像获取模块和计算模块，所述图像获取模块环设在所述容纳腔室的外部，所述计算模块分别与所述图像获取模块以及所述计数器电连接；
12.所述计数器，用于统计卸出的石墨球的总个数，并实时传递给所述计算模块；
13.所述计算模块，用于在所述卸出的石墨球的总个数达到各所述预设数量时，分别控制所述图像获取模块获取所述容纳腔室中对应的各石墨球的位置图像，并分别将各所述位置图像与获取该位置图像时所述卸出的石墨球的总个数进行关联；
14.所述计算模块，还用于根据各所述位置图像对所述球流进行定位和跟踪。
15.在一些实施方式中，所述计算模块还包括机器视觉识别子模块；
16.所述机器视觉识别子模块，用于通过ai模型提取各所述位置图像中的石墨球目标特征，分别对每个石墨球进行编号，确定出所述每个石墨球的中心像素坐标，并将所述中心像素坐标转化为空间位置坐标，以获得石墨球的位置识别数据。
17.在一些实施方式中，所述计算模块还用于：
18.根据所述位置识别数据，获取预设石墨球在所述容纳腔室中的流动轨迹曲线；
19.所述计算模块还用于：
20.根据所述位置识别数据，获取预设石墨球在所述容纳腔室中的预设区域内的流动速度。
21.在一些实施方式中，在所述计算模块获取到所述流动速度之后，所述计算模块还用于：
22.根据所述容纳腔室中的预设区域内多个预设石墨球的流动速度，统计出所述预设区域石墨球的平均流速。
23.在一些实施方式中，所述计算系统还包括存储数据库，所述存储数据库分别与所述图像获取模块和所述计算模块电连接；
24.所述存储数据库，用于存储与所述卸出的石墨球的总个数相关联的位置图像以及
所述位置识别数据。
25.本发明的另一个方面，提供一种二维球流定位跟踪方法，采用前文所记载的所述的实验装置，所述方法包括：
26.将容纳腔室装满石墨球，所述石墨球在外部循环系统的作用下，从所述容纳腔室卸出，并经过所述外部循环系统后，重新进入所述容纳腔室，以实现循环流动；
27.在卸出到所述外部循环系统的石墨球数量达到各预设数量时，获取所述容纳腔室中的石墨球的位置图像，并根据各所述位置图像对球流进行定位和跟踪。
28.在一些实施方式中，所述方法还包括：
29.通过ai模型提取各所述位置图像中的石墨球目标特征，分别对每个石墨球进行编号，确定出所述每个石墨球的中心像素坐标，并将所述中心像素坐标转化为空间位置坐标，以获得石墨球的位置识别数据；
30.根据所述位置识别数据，获取预设石墨球在所述容纳腔室中的预设区域内的流动轨迹曲线和/或流动速度；
31.在获取到所述流动速度之后，根据所述容纳腔室中的预设区域内多个预设石墨球的流动速度，统计出所述预设区域石墨球的平均流速。
32.在一些实施方式中，在卸出到所述外部循环系统的石墨球数量为n时，所述预设石墨球的空间位置坐标由(x，y)变为(x1‑
y1)，所述预设石墨球在所述预设区域内x轴方向的流动速度为(x
‑
x1)米/n球，所述预设石墨球在所述预设区域内y轴方向的流动速度为(y
‑
y1)米/n球。
33.本发明的球流定位跟踪实验装置及方法，可以将若干石墨球平铺在二维堆芯台架的容纳腔室内，利用与容纳腔室相连通的外部循环系统，可以使若干石墨球在容纳腔室中循环流动，在石墨球循环流动的过程中，还可以利用计算系统在从容纳腔室中卸出的石墨球达到预设数量时，获取容纳腔室中各石墨球的位置图像，并根据各位置图像实现对球流的定位和跟踪，从而无需特别标识，即可快速、精确地检测任意时刻实验装置内所有石墨球的绝对位置，全程、全范围地跟踪实验装置内所有石墨球流动的球流轨迹，实现对二维球流模型中的石墨球全范围、高精度(毫米级)、快速(秒级)的定位及跟踪。
附图说明
34.图1为本发明一实施例的一种球流定位跟踪实验装置的结构示意图；
35.图2为本发明另一实施例的一种球流定位跟踪方法的流程图。
具体实施方式
36.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
37.本发明的一个方面，如图1所示，提供一种球流定位跟踪实验装置100，实验装置100包括二维堆芯台架110、外部循环系统120和计算系统130。二维堆芯台架110设置有容纳腔室111，以使若干石墨球能够单层平铺在容纳腔室111内。外部循环系统120与容纳腔室111相连通，以使若干石墨球在容纳腔室111中循环流动。计算系统130与外部循环系统120电连接，以在从容纳腔室111中卸出的石墨球达到预设数量时，获取容纳腔室111中各石墨
球的位置图像，并根据各位置图像实现对球流的定位和跟踪。
38.为了更真实地模拟高温气冷堆堆芯球流状态，可以采用1:1的比例搭建该实验装置100，并采用高温气冷堆真实的石墨球作为实验球。二维堆芯台架110的正面可以采用透明玻璃或者透明树脂板等透明板，其透明度不影响计算系统130获取容纳腔室111中各石墨球的位置图像即可。二维堆芯台架110正面的局部位置还可以设置位置刻度或者图形拼接标识，以方便对获取到的位置图像做进一步处理。二维堆芯台架110的背面可以采用高强度框架敷设不锈钢钢板结构，并将其作为自身安装及正面透明板和其他附件的安装及承重支架。二维堆芯台架110背面接触实验石墨球的一侧表面可以设置成与实验石墨球颜色具有高反差的颜色，例如，当实验石墨球的颜色为黑色时，二维堆芯台架110背面接触实验石墨球的一侧表面可以设置成白色。另外，二维堆芯台架110背面接触实验石墨球的一侧表面与实验石墨球的摩擦系数，可以尽量保持与实验石墨球间的摩擦系数一致，以更真实地模拟高温气冷堆堆芯球流状态。
39.在利用本实施例的实验装置100模拟高温气冷堆堆芯球流状态时，可以首先在容纳腔室111内铺满石墨球，铺满石墨球时，石墨球的数量可以达到12000个。另外，还可以预备少量石墨球，将其用于外部循环系统120。容纳腔室111内的石墨球在外部循环系统120的作用下，在容纳腔室111中循环流动，从而模拟高温气冷堆堆芯球流状态。在石墨球循环流动的过程中，计算系统130在从容纳腔室111中卸出的石墨球达到各预设数量时，分别获取容纳腔室111中各石墨球的位置图像，并根据各位置图像对各个石墨球进行定位和跟踪，进而实现对球流的定位和跟踪。
40.本实施例的球流定位跟踪实验装置，可以将若干石墨球平铺在二维堆芯台架的容纳腔室内，利用与容纳腔室相连通的外部循环系统，可以使若干石墨球在容纳腔室中循环流动，在石墨球循环流动的过程中，还可以利用计算系统在从容纳腔室中卸出的石墨球达到预设数量时，获取容纳腔室中各石墨球的位置图像，并根据各位置图像实现对球流的定位和跟踪，从而无需特别标识，即可快速、精确地检测任意时刻实验装置内所有石墨球的绝对位置，全程、全范围地跟踪实验装置内所有石墨球流动的球流轨迹，实现对二维球流模型中的石墨球全范围、高精度(毫米级)、快速(秒级)的定位及跟踪。
41.示例性的，如图1所示，容纳腔室111设置有入球孔112和卸球孔113。外部循环系统120包括依次连接的卸球装置121、单列机构122、计数器123和提升循环机构124。卸球装置121与卸球孔113相连通，提升循环机构124与入球孔112相连通。卸球装置121用于收集从卸球孔113卸出的石墨球。单列机构122用于控制卸出的石墨球逐个依次通过，并逐个进入计数器123。计数器123用于统计卸出的石墨球的总个数。提升循环机构124用于将卸出的石墨球提升至入球孔112，以使卸出的石墨球通过入球孔112重新进入容纳腔室111。在实验过程中，容纳腔室111中的石墨球通过卸球装置121卸出，经单列机构122单列后通过计数器123，计数器123对通过的石墨球进行计数，经计数后的石墨球通过提升循环机构124被提升至入球孔112，并通过入球孔112重新进入容纳腔室111，开始新的循环。
42.本实施例的球流定位跟踪实验装置，通过在容纳腔室设置入球孔和卸球孔，在外部循环系统设置依次连接的卸球装置、单列机构、计数器和提升循环机构，并将卸球装置与卸球孔相连通，将提升循环机构与入球孔相连通，可以有效控制石墨球在容纳腔室中进行循环流动，并实现对从容纳腔室中卸出的石墨球进行计数，方便后续操作。
43.示例性的，如图1所示，计算系统130包括至少一个图像获取模块131和计算模块132。图像获取模块131环设在容纳腔室111的外部。在二维堆芯台架110的正面采用透明板时，可以将图像获取模块131设置在二维堆芯台架110的正面，以获取容纳腔室111中对应的各石墨球的位置图像，并且，在计算系统130包括多个图像获取模块131时，还可以将多个图像获取模块131均匀地设置在二维堆芯台架110的正面，以获取容纳腔室111中的石墨球的全景图像。为确保各图像获取模块131获取到的位置图像畸变足够小，可以将各图像获取模块131设置在距二维堆芯台架110的正面足够远的位置，以防止因位置图像发生畸变而对后续定位计算造成影响。
44.计算模块132分别与图像获取模块131以及计数器123电连接。计数器123用于统计卸出的石墨球的总个数，并实时传递给计算模块132。计算模块132用于在卸出的石墨球的总个数达到各预设数量时，分别控制图像获取模块131获取容纳腔室111中对应的各石墨球的位置图像，并分别将各位置图像与获取该位置图像时卸出的石墨球的总个数进行关联。在实验过程中，计数器123将其计数实时传递给计算模块132，计算模块132可以根据该计数，设定每通过一定数量的石墨球就控制图像获取模块131获取一次容纳腔室111中各石墨球的位置图像，并将获取到的位置图像与对应时刻计数器123的计数进行关联记录，同时还可以记录连续两次获取位置图像之间的时间间隔。
45.需要说明的是，为了确保连续两次获取位置图像后能够对石墨球进行连续跟踪，必须设置连续两次获取位置图像之间的卸球数不超过某一规定数值，例如，该规定数值可以为：不使容纳腔室内的任何一个石墨球的移动距离大于石墨球半径值的数值。比如，当某个石墨球的半径为30mm时，连续两次获取位置图像之间的卸球数不超过规定数值时，可以使容纳腔室内的任何石墨球的移动距离不超过该石墨球的半径，即30mm的数值。
46.图像获取模块131可以将获取到的位置图像自动传输给计算模块132，在计算系统130包括多个图像获取模块131时，计算模块132还可以将各图像获取模块131获取的位置图像，通过图形拼接的方式形成容纳腔室内完整的二维堆芯石墨球位置图像，以供后续使用。计算模块132还用于根据各位置图像对球流进行定位和跟踪。
47.需要说明的是，图像获取模块的具体数量可以根据实际需要进行设置，本实施例对此并不限制。例如，图像获取模块可以有5个、6个、7个等等。另外，图像获取模块还可以采用高清相机，以使获取到的位置图像更加清晰。
48.本实施例的球流定位跟踪实验装置，将获取位置图像的时机与计数器进行联动，能够利用计算模块根据计数器的计数控制图像获取模块获取某累计卸球数时容纳腔室中各石墨球的位置图像，并根据获取到的位置图像对球流进行定位和跟踪。
49.示例性的，如图1所示，计算模块132还包括机器视觉识别子模块(图中并未示出)。机器视觉识别子模块用于通过ai模型提取各位置图像中的石墨球目标特征，分别对每个石墨球进行编号，确定出每个石墨球的中心像素坐标，并将中心像素坐标转化为空间位置坐标，以获得石墨球的位置识别数据。
50.机器视觉识别子模块可以根据卸出的石墨球达到预设数量时，获取的容纳腔室111中各石墨球的首张位置图像，自动识别容纳腔室111内的所有石墨球并分别赋予其唯一的编号，所有石墨球的编号将被跟踪保持到其离开容纳腔室111为止。从入球孔112重新进入容纳腔室111内的石墨球将使用新的编号进行标识并跟踪，直至其卸出容纳腔室111。机
器视觉识别子模块将以上一张位置图像中的石墨球位置作为基点，在紧邻的下一张位置图像中识别与基点位置差异在规定的距离值内的石墨球，把该石墨球判定为上一个位置的石墨球并继承其编号标识。通过连续识别和标识，可以实现对容纳腔室内全部石墨球的无专门记号的全程跟踪。
51.机器视觉识别子模块在通过ai模型提取各位置图像中的石墨球目标特征后，可以对位置图像中的石墨球进行高效密集预测，从而精确计算出位置图像中每个石墨球的中心像素坐标，再通过位置图像与其对应的图像获取模块131所处的位置之间的标定关系，将每个石墨球的中心像素坐标转化为其在容纳腔室111内真实的空间位置坐标，获得石墨球的位置识别数据，从而形成石墨球流场动态轨迹信息。机器视觉识别子模块可以将多个图像获取模块131获取的位置图像，快速(如在1秒时间内)合成一张完整的二维堆芯石墨球位置图像，并识别出其中所有石墨球的坐标位置(x，y)，以供后续使用。
52.示例性的，如图1所示，计算模块132还用于根据位置识别数据，获取预设石墨球在容纳腔室111中的流动轨迹曲线。计算模块132可以将机器视觉识别子模块识别出的任意石墨球在容纳腔室111中流动的所有位置点连接起来，从而获得该石墨球在容纳腔室111中的流动轨迹曲线。
53.示例性的，如图1所示，计算模块132还用于根据位置识别数据，获取预设石墨球在容纳腔室111中的预设区域内的流动速度。计算模块132可以根据容纳腔室111中的预设区域内的某石墨球在两个不同卸球数状态下的位置差异，计算出该石墨球在该预设区域的流动速度。
54.示例性的，如图1所示，在计算模块132获取到所述流动速度之后，计算模块132还用于根据容纳腔室111中的预设区域内多个预设石墨球的流动速度，统计出预设区域石墨球的平均流速。计算模块132可以通过对容纳腔室111中的某个预设区域内足够数量的石墨球的流动速度的统计计算，得出该预设区域内石墨球的平均流速，该平均流速可以包括x/y轴方向，从而准确计算出实验装置任何区域球流的绝对速度。
55.示例性的，如图1所示，计算系统130还包括存储数据库(图中并未示出)，存储数据库分别与图像获取模块131和计算模块132电连接。存储数据库用于存储与卸出的石墨球的总个数相关联的位置图像以及位置识别数据，以方便后续研究使用。
56.示例性的，如图1所示，计算系统130还可以包括操作台133和显示器134。操作台133分别与计算模块132和显示器134电连接，以对实验装置100进行控制，并通过显示器134对位置图像以及位置识别数据等信息进行显示。
57.本发明的另一个方面，如图2所示，提供一种球流定位跟踪方法s100，该方法s100采用前文所记载的实验装置，实验装置的具体结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述。方法s100包括：
58.s110、将容纳腔室装满石墨球，所述石墨球在外部循环系统的作用下，从所述容纳腔室卸出，并经过所述外部循环系统后，重新进入所述容纳腔室，以实现循环流动。
59.s120、在卸出到所述外部循环系统的石墨球数量达到各预设数量时，获取所述容纳腔室中的石墨球的位置图像，并根据各所述位置图像对球流进行定位和跟踪。
60.本实施例的球流定位跟踪方法，无需特别标识，即可快速、精确地检测任意时刻实验装置内所有石墨球的绝对位置，全程、全范围地跟踪实验装置内所有石墨球流动的球流
轨迹，实现对二维球流模型中的石墨球全范围、高精度(毫米级)、快速(秒级)的定位及跟踪。
61.示例性的，方法s100还包括：通过ai模型提取各所述位置图像中的石墨球目标特征，分别对每个石墨球进行编号，确定出所述每个石墨球的中心像素坐标，并将所述中心像素坐标转化为空间位置坐标，以获得石墨球的位置识别数据。根据所述位置识别数据，获取预设石墨球在所述容纳腔室中的预设区域内的流动轨迹曲线和/或流动速度。将任意石墨球在容纳腔室中流动的所有位置点连接起来，即可获得该石墨球在容纳腔室中的流动轨迹曲线。根据容纳腔室中的预设区域内的某石墨球在两个不同卸球数状态下的位置差异，即可计算得出该石墨球在该预设区域的流动速度。在获取到所述流动速度之后，根据所述容纳腔室中的预设区域内多个预设石墨球的流动速度，统计出所述预设区域石墨球的平均流速，该多个预设石墨球的数量越大，统计得出的所述预设区域石墨球的平均流速越接近其实际值，从而准确计算出实验装置任何区域球流的绝对速度。
62.示例性的，在卸出到所述外部循环系统的石墨球数量为n时，所述预设石墨球的空间位置坐标由(x，y)变为(x1‑
y1)，所述预设石墨球在所述预设区域内x轴方向的流动速度为(x
‑
x1)米/n球，所述预设石墨球在所述预设区域内y轴方向的流动速度为(y
‑
y1)米/n球。
63.本实施例的球流定位跟踪方法，创造性地采用“米/球”来表征实验中石墨球的流速，该“米/球”的球流速度标识方法完美地避开了实验过程中外部循环系统卸球速度不稳定、实验停顿等因素对球流速度标识的影响，使得计算得出的实验装置任何区域球流绝对速度更加准确。
64.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。