一种用于两相流动环境气体射流的测量装置及测量方法

1.本发明涉及多相流流动参数测量技术领域，特别涉及一种用于两相流动环境气体射流的测量装置及测量方法。


背景技术：

2.核能是具有广泛应用前景的清洁能源，在核能的开发利用中，安全问题是必须解决的重要问题。在第四代铅铋核反应堆中，蒸汽发生器破口事故是常见的事故之一，导致一二回路冷热流体间发生强烈的能质传输而产生大量水蒸气，同时在破口位置处将形成冲击波或者射流，蒸汽在射流的影响下极易气蚀主泵或者造成堆芯传热恶化，带来严重安全隐患。
3.目前，由于缺乏对射流后气体动力学特性的测量手段，使得对气体射流的研究十分有限。常用的测量方法是非接触式的光学法，包括高速摄像技术和射线技术，但光学法会受到折射率的影响，尤其是遇到不透光或者吸收射线的介质时光学法不再适用；且光学法通常只能获得定性上的结果。另一方面，基于电学法的探针技术可以精确测量气液两相流动特性，但由于气体射流速度快、空间分布范围广，现有探针技术大多基于单点局部测量的原理开发，难以对射流气相的空间分布进行高分辨率捕捉，因此，需要重新设计探针使其适用于两相流动环境气体射流研究。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于两相流动环境气体射流的测量装置及测量方法，可以定量得到气体射流进入水空间运动过程中的相分布情况，实现了对射流条件下气相的实时精确测量。
5.为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
6.本发明公开了一种用于两相流动环境气体射流的测量装置，所述测量装置的气体由底部向上喷射，所述测量装置包括矩形水箱上顶盖、矩形水箱箱体、激励端金属电极丝、接收端金属电极丝、接收端端口、若干水箱上顶盖通孔、若干水箱上顶盖盲孔、排气口、若干水箱侧面盲孔、激励端端口、若干水箱侧面通孔、注气口，其中：
7.所述激励端金属电极丝和接收端金属电极丝分别穿过若干所述水箱侧面通孔和水箱上顶盖通孔后缠绕在若干所述水箱侧面盲孔和水箱上顶盖盲孔处的螺钉上，并正交连接在所述矩形水箱箱体内部，用于实现所述激励端金属电极丝和接收端金属电极丝的绷直；
8.所述激励端金属电极丝和接收端金属电极丝固定完毕之后分别接入对应的所述激励端端口和接收端端口，用于构成丝网探针信号传输的两极；
9.所述矩形水箱上顶盖在丝网探针布置完成后与所述矩形水箱箱体之间用密封胶密封，若干所述水箱上顶盖通孔和水箱侧面通孔处均使用密封胶密封，用于保证所述测量装置的结构稳定性与密封性；
10.所述接收端端口和激励端端口分别由导线引出到信号电路中，用于实现丝网探针信号的传递与接收；
11.所述注气口设置于所述矩形水箱箱体的下侧；
12.所述排气口设置于所述矩形水箱顶盖，初始状态时不封死，安装完成后封死固定。
13.进一步的，若干所述水箱上顶盖通孔和水箱侧面通孔分别与若干所述水箱上顶盖盲孔和水箱侧面盲孔的圆心一一同轴对应，若干所述水箱上顶盖盲孔和水箱侧面盲孔的直径分别对应大于若干所述水箱上顶盖通孔和水箱侧面通孔的直径，若干所述水箱上顶盖盲孔和水箱侧面盲孔的厚度均为所述矩形水箱箱体的厚度的一半。
14.进一步的，若干所述水箱侧面通孔和水箱上顶盖通孔的直径分别对应大于所述激励端金属电极丝和接收端金属电极丝的直径。
15.进一步的，所述注气口从所述矩形水箱箱体外侧使用密封胶密封。
16.优选的，若干所述水箱侧面通孔之间的间距为2-4mm，所述水箱侧面通孔的直径为0.5mm；和/或，若干所述水箱上顶盖通孔之间的间距为2-4mm，所述水箱上顶盖通孔的直径为0.5mm。
17.优选的，所述激励端金属电极丝和接收端金属电极丝之间的间距为2-4mm。
18.本发明还公开了一种用于两相流动环境气体射流的测量方法，使用上述测量装置进行测量，至少包括以下步骤：
19.步骤1：将激励端金属电极丝和接收端金属电极丝分别穿过若干水箱侧面通孔和水箱上顶盖通孔后缠绕在若干水箱侧面盲孔和水箱上顶盖盲孔处的螺钉上，并正交连接在矩形水箱箱体内部，并接入对应的激励端端口和接收端端口；
20.步骤2：在注气口安装喷嘴并密封矩形水箱箱体；
21.步骤3：获取测量装置的标定基底值；
22.步骤4：底部喷嘴注气的同时对激励端金属电极丝进行信号激励；
23.步骤5：接收端金属电极丝接收检测到的感应电信号；
24.步骤6：基于标定基底值和测量值的电信号得到射流过程气体相分布情况。
25.进一步的，步骤3中，所述获取测量装置的标定基底值，包括：
26.测量所述测量装置在纯水状态下不喷射气流时的接收电信号值。
27.进一步的，测量气体射流相分布之前，将矩形水箱内部注满水，然后使采集过程保持规定的帧数进行信号采集，采集到的信号为纯水状态下测得的接收电信号值，将其视为标定基底值；
28.标定的方式为线性标定，标定公式如下所示：
[0029][0030]
式中：α为测量节点处的含气率值；i为激励端的行数；j为接收端的列数；k为采集的帧数；i
exp,i,j,k
为正式试验时采集的信号电流值，a；i
water,i,j,k
为初始纯水条件下信号电流的标定值。
[0031]
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
[0032]
通过调整注气口与丝网探针的间距或者在丝网探针后方布置同样的另一套丝网
探针，将两组数据进行互相关可以得到气流射出后在空间中的速度分布。
[0033]
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
[0034]
1、本技术提供的测量装置适用于两相流动环境气体射流的测量，可以定量得到气体射流进入水空间运动过程中的相分布情况，实现了对射流条件下气相的实时精确测量，无需繁琐操作，仅需连接电路即可实现对气体射流的信号采集；
[0035]
2、本发明结构简单，能够满足射流情况下气体相分布的测量需求，操作方便、适用性强。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
[0037]
图1是本发明一种用于两相流动环境气体射流的测量装置的整体结构立体示意图；
[0038]
图2是本发明一种用于两相流动环境气体射流的测量装置的整体结构正视图；
[0039]
图3是本发明一种用于两相流动环境气体射流的测量装置的测试结果成像图及其与高速摄影可视化图像的对比。
[0040]
【主要符号说明】
[0041]
1-矩形水箱上顶盖；
[0042]
2-矩形水箱箱体；
[0043]
3-激励端金属电极丝；
[0044]
4-接收端金属电极丝；
[0045]
5-接收端端口；
[0046]
6-水箱上顶盖通孔；
[0047]
7-水箱上顶盖盲孔；
[0048]
8-排气口；
[0049]
9-水箱侧面盲孔；
[0050]
10-激励端端口；
[0051]
11-水箱侧面通孔；
[0052]
12-注气口。
具体实施方式
[0053]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0055]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0056]
实施例一
[0057]
如图1和2所示，本发明公开了一种用于两相流动环境气体射流的测量装置，所述测量装置的气体由底部向上喷射，所述测量装置包括矩形水箱上顶盖1、矩形水箱箱体2、激励端金属电极丝3、接收端金属电极丝4、接收端端口5、若干水箱上顶盖通孔6、若干水箱上顶盖盲孔7、排气口8、若干水箱侧面盲孔9、激励端端口10、若干水箱侧面通孔11、注气口12，其中：
[0058]
所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4分别穿过若干所述水箱侧面通孔11和水箱上顶盖通孔6后缠绕在若干所述水箱侧面盲孔9和水箱上顶盖盲孔7处的螺钉上，并正交连接在所述矩形水箱箱体2内部，用于实现所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4的绷直；
[0059]
所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4固定完毕之后分别接入对应的所述激励端端口10和接收端端口5，用于构成丝网探针信号传输的两极；
[0060]
所述矩形水箱上顶盖1在丝网探针布置完成后与所述矩形水箱箱体2之间用密封胶密封，若干所述水箱上顶盖通孔6和水箱侧面通孔11处均使用密封胶密封，用于保证所述测量装置的结构稳定性与密封性；
[0061]
所述接收端端口5和激励端端口10分别由导线引出到信号电路中，用于实现丝网探针信号的传递与接收；
[0062]
所述注气口12设置于所述矩形水箱箱体2的下侧，距离所述丝网探针合适的距离；
[0063]
所述排气口8设置于所述矩形水箱顶盖，初始状态时不封死，安装完成后封死固定。
[0064]
进一步的，若干所述水箱上顶盖通孔6和水箱侧面通孔11分别与若干所述水箱上顶盖盲孔7和水箱侧面盲孔9的圆心一一同轴对应，若干所述水箱上顶盖盲孔7和水箱侧面盲孔9的直径分别对应大于若干所述水箱上顶盖通孔6和水箱侧面通孔11的直径，若干所述水箱上顶盖盲孔7和水箱侧面盲孔9的厚度均为所述矩形水箱箱体2的厚度的一半，且在若干所述水箱上顶盖盲孔7和水箱侧面盲孔9上安装螺钉。本实施例中，若干个所述水箱上顶盖通孔6和水箱侧面通孔11，以及所述水箱上顶盖盲孔7和水箱侧面盲孔9的数量为64个。
[0065]
进一步的，若干所述水箱侧面通孔11和水箱上顶盖通孔6的直径分别对应略大于所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4的直径。
[0066]
进一步的，所述注气口12从所述矩形水箱箱体2外侧使用密封胶密封。
[0067]
本实施例中，若干所述水箱侧面通孔11之间的间距为2-4mm，所述水箱侧面通孔11的直径为0.5mm；和/或，若干所述水箱上顶盖通孔6之间的间距为2-4mm，所述水箱上顶盖通
孔6的直径为0.5mm。为了获得最佳的测量数据，若干所述水箱侧面通孔11之间的间距优选为2mm，相应的，若干所述水箱上顶盖通孔6之间的间距优选为2mm。
[0068]
本实施例中，所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4之间的间距为2-4mm。优选的，所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4之间的间距为2mm。
[0069]
优选地，矩形水箱尺寸可以依据实际需要进行调整，注气口12与丝网探针之间的距离也可以根据实际需要进行调整，激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4也可以根据实际需要调整数量，但数量一般为16的倍数。
[0070]
实施例二
[0071]
本发明还公开了一种用于两相流动环境气体射流的测量方法，使用上述测量装置进行测量，至少包括以下步骤：
[0072]
步骤1：将激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4分别穿过若干水箱侧面通孔11和水箱上顶盖通孔6后缠绕在若干水箱侧面盲孔9和水箱上顶盖盲孔7处的螺钉上，并正交连接在矩形水箱箱体2内部，并接入对应的激励端端口10和接收端端口5；
[0073]
步骤2：在注气口12安装喷嘴并密封矩形水箱箱体2；
[0074]
步骤3：获取测量装置的标定基底值；
[0075]
步骤4：底部喷嘴注气的同时对激励端金属电极丝3进行信号激励；
[0076]
步骤5：接收端金属电极丝4接收检测到的感应电信号；
[0077]
步骤6：基于标定基底值和测量值的电信号得到射流过程气体相分布情况。
[0078]
进一步的，步骤3中，所述获取测量装置的标定基底值，包括：
[0079]
测量所述测量装置在纯水状态下不喷射气流时的接收电信号值。
[0080]
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
[0081]
通过调整注气口12与丝网探针的间距或者在丝网探针后方布置同样的另一套丝网探针，将两组数据进行互相关可以得到气流射出后在空间中的速度分布。
[0082]
以下结合丝网探针的运行原理对本技术做进一步详细阐述。
[0083]
(1)电路工作原理：由于所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4之间有一定间距，本实例中所述激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4之间形成了若干个正交的空间节点。在所述激励端端口10进行电信号激励，气体和水形成的气液两相流会占据激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4之间的空间，实现了激励端金属电极丝3和接收端金属电极丝4之间电路的连通，形成了允许电流通过的回路。根据空气和水的电导率不同，回路中的电阻值发生改变，电流在流经丝网的过程中会随着气水相分布的不同而对应改变。
[0084]
对所述激励端金属电极丝3依次进行激励，然后在接收端金属电极丝4中，每一行激励端金属电极丝3对应的与接收端金属电极丝4形成的节点处因为电导率不同会按顺序生成一列数值不同的电流信号值，通过接收端端口5将接收到的一列电信号存储到计算机中。对所述激励端金属电极丝3依次激励完毕后，接收端即可接收到在这一时间帧下所有节点处的电信号值。至此完成一帧的信号激励与感应采集过程。根据需要，可以规定调整采集数据的帧数。
[0085]
(2)标定基底值：测量气体射流相分布之前，将矩形水箱内部注满水，然后使采集过程保持规定的帧数进行信号采集，采集到的信号为纯水条件下测得的接收电信号值，将其视为标定基底值；
[0086]
标定的方式为线性标定，标定公式如下所示：
[0087][0088]
式中：α为测量节点处的含气率值；i为激励端的行数；j为接收端的列数；k为采集的帧数；i
exp,i,j,k
为正式试验时采集的信号电流值，a；i
water,i,j,k
为初始纯水条件下信号电流的标定值。
[0089]
(3)将测量装置在正式实验接收的电流信号值与标定基底信号代入到线性标定公式进行逐帧作比，即可得到采集时间段内气相的分布信息，如图3所示。
[0090]
本实施例中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0091]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本技术的真正范围和精神由上述的权利要求指出。
[0092]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。
[0093]
应当理解的是，在本文中提及的“若干个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0094]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0095]
以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。