海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统及方法技术方案

一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统及方法，该系统包括可视化实验段，模拟海洋运动条件的海洋运动平台，用于拍摄两层流体的搅浑过程的高速摄像仪，用于储存实验工质的高位液体贮存箱，与可视化实验段相连接的废液罐以及冷却水回路；还包括配套的配电设备、仪控设备和数据测量采集设备；实验时，向可视化试验段注入实验工质，海洋运动平台驱动可视化实验段实现起伏、摇摆等运动；离心水泵驱动冷却水箱中的水流经可视化实验段中的冷却通道向可视化实验段提供冷却边界，被加热的冷却水经板式换热器和冷却塔恢复到初始水温后再返回冷却水箱；本发明专利技术获得海洋条件下反应堆发生严重事故后两层熔池的搅浑过程以及换热特性，可用于海洋条件下反应堆的安全设计。

【技术实现步骤摘要】
海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统及方法
本专利技术涉及海洋条件下核电厂严重事故后压力容器下封头分层熔融池的搅浑特性研究
，具体涉及一种海洋条件下两层流体搅浑过程以及传热特性可视化实验系统及方法。
技术介绍
当核电厂压水堆发生严重事故时，堆芯如果不能得到有效冷却，会快速升温导致大量燃料组件和结构材料发生熔化并迁移至压力容器底部，进入到下封头内的高温熔融物逐渐积累形成碎片床或熔融池。在熔融池形成的中后期会有大量熔化的的堆内构件和压力容器不锈钢材料进入到熔融池中，如果熔融Fe与部分为氧化的Zr相混合但是不溶于UO2-ZrO2氧化物，则由于其密度较轻而浮与氧化池上部成为轻金属层，从而形成两层熔融池构型。熔融池的分层现象会对传热产生明显影响，而海洋条件下，由于熔融池会收到额外附加力的影响，熔融池的结构会发生变化，如两层流体间发生搅浑现象，这会改变熔融池向下封头壁面的热负荷分布。目前，国内外已经开展了一些关于熔融池分层实验研究。例如，文献(TheerthanSA,KolbG,SehgalBR.Doublediffusiveconvectioninasemicircularslicewithinternalheatgenerationinoneorbothlayers[J].Experimentalheattransfer,2001,14(4):283-297.)公开了一种两层熔融池实验研究装置，实验装置主体是半圆切片结构，分别采用纯水和盐水以及纯水和石蜡油作为两层熔融物模拟物，研究两层熔融池混溶性、密度差和内热源分布等因素对传热特性的影响。但是该专利技术不能考虑海洋条件对两层熔池的搅浑作用，无法获得海洋条件对两层熔池传热特性的影响，且实验过程不能可视化。又例如，文献(HelleM,O,TuomistoH.ExperimentalCOPOIIdataonnaturalconvectioninhomogenousandstratifiedpools[C].The9thInternationalTopicalMeetingonNuclearReactorThermal-Hydraulics(NURETH-9),SanFrancisco,USA,1999.)公开了一种两层熔融池的换热实验装置，实验装置主体是半圆切片，采用ZnSO4水溶液和石蜡油作为熔融池氧化层和金属层的模拟物，两层模拟物之间用铝板隔开。该专利技术由于在两层流体间设置了隔板，两层之间的搅浑特性不能得到研究，更不能考虑海洋条件对两层熔池的搅浑作用以及传热特性的影响，实验过程也不能可视化。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种海洋条件下两层流体搅浑过程以及传热特性可视化实验系统及方法，能够可视化地研究海洋条件下两层流体的搅浑特性。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统，包括可视化实验段1，模拟海洋运动条件的海洋运动平台2，用于储存两种不互溶流体的第一高位液体贮存箱12、第二高位液体贮存箱13，与可视化实验段1相连接的废液罐7和冷却水回路，以及配套的配电设备14、仪控设备15、数据测量与采集设备16；可视化实验段1为半椭球状的二维切片结构，由前后两侧的透明的PC板，侧壁的不锈钢冷却通道，顶部的绝热盖板，以及布置在实验段内部的加热棒与热电偶构成；顶部绝热盖板固定在可视化实验段1上部，防止实验过程中实验段内液体的溅出，并起隔热作用；实验段前后两侧透明的PC板采用螺栓与侧壁的不锈钢冷却通道前后表面连接，透明的PC板与不锈钢冷却通道前后表面间填有金属垫片材料防止实验时实验工质泄露；实验段内部布置有加热棒模拟体积释热源，加热棒通过螺栓固定在可视化实验段1后侧的透明的PC板上；可视化实验段1顶部的绝热盖板底部连接有多点热电偶，用于实验段内温度场的测量；不锈钢冷却通道内壁面的两侧布置有热电偶，实验时根据热电偶所测得的温度与热电偶之间的距离计算得到实验段内流体向不锈钢冷却通道内壁面传递的热流量；可视化实验段1前侧透明的PC板的下部开设废液排出接口，实验过程中接口关闭，实验结束时通过接管与该接口相连，将可视化实验段1中的流体排出至废液罐7中；可视化实验段1固定在模拟海洋运动条件的海洋运动平台2上，实验时通过仪控设备15设置起伏或摇摆的加速度幅值以及周期来控制可视化实验段1进行起伏或摇摆运动；与可视化实验段1相连的第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13位于可视化实验段1的上部，实验时在重力作用下通过与可视化实验段1连接的软管以及第一出口阀308和第二出口阀309向可视化实验段1中注入模拟工质流体；第一高位液体贮存箱12和第二高位液体贮存箱13分别储存透明且不互溶的密度不同的两种流体；第一出口阀308和第二出口阀309用于调节注入流量；在可视化实验段1正前方架设高速摄像仪8，实验时设置好高速摄像仪8的拍摄高度、角度以及帧数，记录实验过程中可视化实验段1内部流体的流动过程。冷却水回路中，冷却水箱4依次通过第五球阀305、第一过滤器5、第一离心泵6和相应的管道与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道相连；与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道相连的管道使用软连接；冷却水箱4上安装第七温度表407，用于监测冷却水箱4内水温变化；第一离心泵6的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第六球阀306连通到冷却水箱4构成一个旁通回路，用于辅助调节冷却水的流量；在三通的下游管道依次安装第七球阀307和第一热电偶401获得可视化实验段1的冷却通道入口温度；被可视化实验段1加热的冷却水经过板式换热器3和冷却塔9的冷却恢复到初始水温后再回到冷却水箱4；在板式换热器3的一次侧进水口，通过管道和第二球阀302分别与可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口相连；可视化实验段1侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口分别接有第二温度表402、第一流量计201和第三温度表403、第二流量计202，以获得可视化实验段1冷却通道的两端出口的冷却剂流量和温度，用于校核实验段的热平衡；在管道上安装第五热电偶405获得板式换热器3的进口温度；在板式换热器3的一次侧出水口，通过管道和第四球阀304与冷却水箱4相连通，形成一次侧闭合回路，与冷却水箱4相连的管道上安装有第六温度计406，用于获得板式换热器3一次侧的出口水温；板式换热器3的二次侧水流方向与一次侧流向相反，形成逆流，二次侧出水口依次通过第十一球阀311和第三流量计203连接到冷却塔9的进水口；冷却塔9的出水口依次通过第十二球阀312、第二过滤器10、第二离心泵11、第十球阀310和相应管道与板式换热器3的二次侧进水口相连，形成二次侧闭合回路；在二次侧闭合回路管道上安装第九温度计409、第三流量计203分别获得板式换热器3二次侧的出口冷却水温度、二回路的流量；板式换热器3二次侧进水口上游布置有第八热电偶408，用于测量板式换热器3二次侧的进口冷却水温度；此外，在板式换热器一次侧闭合回路上第二球阀302的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第三球阀303连接，第三球阀303的下游管道通过三通与板式换热器3一次侧的出口管道以及第四球阀304的上游管道相连，从而构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统，其特征在于：包括可视化实验段(1)，模拟海洋运动条件的海洋运动平台(2)，用于储存两种不互溶流体的第一高位液体贮存箱(12)、第二高位液体贮存箱(13)，与可视化实验段(1)相连接的废液罐(7)和冷却水回路，以及配套的配电设备(14)、仪控设备(15)、数据测量与采集设备(16)；可视化实验段(1)为半椭球状的二维切片结构，由前后两侧的透明的PC板，侧壁的不锈钢冷却通道，顶部的绝热盖板，以及布置在实验段内部的加热棒与热电偶构成；顶部绝热盖板固定在可视化实验段(1)上部，防止实验过程中实验段内液体的溅出，并起隔热作用；实验段前后两侧透明的PC板采用螺栓与侧壁的不锈钢冷却通道前后表面连接，透明的PC板与不锈钢冷却通道前后表面间填有金属垫片材料防止实验时实验工质泄露；实验段内部布置有加热棒模拟体积释热源，加热棒通过螺栓固定在可视化实验段(1)后侧的透明的PC板上；可视化实验段(1)顶部的绝热盖板底部连接有多点热电偶，用于实验段内温度场的测量；不锈钢冷却通道内壁面的两侧布置有热电偶，实验时根据热电偶所测得的温度与热电偶之间的距离计算得到实验段内流体向不锈钢冷却通道内壁面传递的热流量；可视化实验段(1)前侧透明的PC板的下部开设废液排出接口，实验过程中接口关闭，实验结束时通过接管与该接口相连，将可视化实验段(1)中的流体排出至废液罐(7)中；可视化实验段(1)固定在模拟海洋运动条件的海洋运动平台(2)上，实验时通过仪控设备(15)设置起伏或摇摆的加速度幅值以及周期来控制可视化实验段(1)进行起伏或摇摆运动；与可视化实验段(1)相连的第一高位液体贮存箱(12)和第二高位液体贮存箱(13)位于可视化实验段(1)的上部，实验时在重力作用下通过与可视化实验段1连接的软管以及第一出口阀(308)和第二出口阀(309)向可视化实验段(1)中注入模拟工质流体；第一高位液体贮存箱(12)和第二高位液体贮存箱(13)分别储存透明且不互溶的密度不同的两种流体；第一出口阀(308)和第二出口阀(309)用于调节注入流量；在可视化实验段(1)正前方架设高速摄像仪(8)，实验时设置好高速摄像仪(8)的拍摄高度、角度以及帧数，记录实验过程中可视化实验段(1)内部流体的流动过程。...

【技术特征摘要】
1.一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统，其特征在于：包括可视化实验段(1)，模拟海洋运动条件的海洋运动平台(2)，用于储存两种不互溶流体的第一高位液体贮存箱(12)、第二高位液体贮存箱(13)，与可视化实验段(1)相连接的废液罐(7)和冷却水回路，以及配套的配电设备(14)、仪控设备(15)、数据测量与采集设备(16)；可视化实验段(1)为半椭球状的二维切片结构，由前后两侧的透明的PC板，侧壁的不锈钢冷却通道，顶部的绝热盖板，以及布置在实验段内部的加热棒与热电偶构成；顶部绝热盖板固定在可视化实验段(1)上部，防止实验过程中实验段内液体的溅出，并起隔热作用；实验段前后两侧透明的PC板采用螺栓与侧壁的不锈钢冷却通道前后表面连接，透明的PC板与不锈钢冷却通道前后表面间填有金属垫片材料防止实验时实验工质泄露；实验段内部布置有加热棒模拟体积释热源，加热棒通过螺栓固定在可视化实验段(1)后侧的透明的PC板上；可视化实验段(1)顶部的绝热盖板底部连接有多点热电偶，用于实验段内温度场的测量；不锈钢冷却通道内壁面的两侧布置有热电偶，实验时根据热电偶所测得的温度与热电偶之间的距离计算得到实验段内流体向不锈钢冷却通道内壁面传递的热流量；可视化实验段(1)前侧透明的PC板的下部开设废液排出接口，实验过程中接口关闭，实验结束时通过接管与该接口相连，将可视化实验段(1)中的流体排出至废液罐(7)中；可视化实验段(1)固定在模拟海洋运动条件的海洋运动平台(2)上，实验时通过仪控设备(15)设置起伏或摇摆的加速度幅值以及周期来控制可视化实验段(1)进行起伏或摇摆运动；与可视化实验段(1)相连的第一高位液体贮存箱(12)和第二高位液体贮存箱(13)位于可视化实验段(1)的上部，实验时在重力作用下通过与可视化实验段1连接的软管以及第一出口阀(308)和第二出口阀(309)向可视化实验段(1)中注入模拟工质流体；第一高位液体贮存箱(12)和第二高位液体贮存箱(13)分别储存透明且不互溶的密度不同的两种流体；第一出口阀(308)和第二出口阀(309)用于调节注入流量；在可视化实验段(1)正前方架设高速摄像仪(8)，实验时设置好高速摄像仪(8)的拍摄高度、角度以及帧数，记录实验过程中可视化实验段(1)内部流体的流动过程。2.根据权利要求1所述的一种海洋条件下两层流体搅浑过程及传热特性可视化实验系统，其特征在于：冷却水回路中，冷却水箱(4)依次通过第五球阀(305)、第一过滤器(5)、第一离心泵(6)和相应的管道与可视化实验段(1)侧壁的不锈钢冷却通道相连；与可视化实验段(1)侧壁的不锈钢冷却通道相连的管道使用软连接；冷却水箱(4)上安装第七温度表(407)，用于监测冷却水箱(4)内水温变化；第一离心泵(6)的下游管道上有一个三通，三通的垂直分支通过管道与第六球阀(306)连通到冷却水箱(4)构成一个旁通回路，用于辅助调节冷却水的流量；在三通的下游管道依次安装第七球阀(307)和第一热电偶(401)获得可视化实验段(1)的冷却通道入口温度；被可视化实验段(1)加热的冷却水经过板式换热器(3)和冷却塔(9)的冷却恢复到初始水温后再回到冷却水箱(4)；在板式换热器(3)的一次侧进水口，通过管道和第二球阀(302)分别与可视化实验段(1)侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口相连；可视化实验段(1)侧壁的不锈钢冷却通道的两端出口分别接有第二温度表(402)、第一流量计(201)和第三温度表(403)、第二流量计(202)，以获得可视化实验段(1)冷却通道的两端出口的冷却剂流量和温度，用于校核实验段的热平衡；在管道上安装第五热电偶(405)获得板式换热器(3)的进口温度；在板式换热器(3)的一次侧出水口，通过管道和第四球阀(304)与冷却水箱(4)相连通，形成一次侧闭合回...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚培，罗思民，苏光辉，田文喜，秋穗正，罗琦，余红星，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61