基于激光多普勒测量的6×6棒束间湍流流动研究

俞 洋，汪昊楠，于 楠，熊进标，傅孝良，程 旭，杨燕华,

(1.上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240；2.国家核电技术有限公司 北京软件技术中心，北京 100029；3.国家能源核电软件重点实验室，北京 102206)



基于激光多普勒测量的6×6棒束间湍流流动研究

俞 洋1，汪昊楠1，于 楠2,3，熊进标1，傅孝良2,3，程 旭1，杨燕华1,2,3

(1.上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240；2.国家核电技术有限公司 北京软件技术中心，北京 100029；3.国家能源核电软件重点实验室，北京 102206)

采用3D激光多普勒测速装置研究了6×6棒束间的流场分布。实验选择了5种工况进行研究，雷诺数范围为6.6×103～7.03×104。其中6×6棒束试验段几何结构模拟相邻组件的布置方式。实验设置两种测量模式，第1种模式选择从试验段侧边测量，获得了距定位格架不同位置处的轴向速度和湍流强度的分布；第2种测量模式选择从试验段出口端面进行测量，获得了出口截面子通道间的三维速度和雷诺应力分布。通过对比不同雷诺数下的实验结果，分析了雷诺数对此次6×6棒束实验的影响。比较发现在雷诺数为6.6×103的情况下，存在低雷诺数效应。

激光多普勒测速装置；6×6棒束；三维流场；雷诺数效应

棒束是燃料组件常用的几何结构，燃料棒产生的热量由流经棒束的冷却剂带出堆芯。而燃料棒组件中子通道间流体的横向交混引起的相邻子通道间的质量、动量与能量交换对棒束与冷却剂间的传热性能有强烈的影响。许多研究者从计算和实验两方面对棒束间的湍流流动展开过研究。文献[1-2]用湍流模型研究了棒束流动特征。这些研究让人们注意到计算中选取不同的湍流模型会给计算结果带来很大的不一致性，因此用实验验证计算结果非常重要。文献[3-4]使用热线风速仪测量了棒束间子通道的轴向速度、湍流动能、壁面剪切应力等物理量。随着测量技术的进步，新的激光测量方式也逐渐被应用到棒束流动的测量。文献[5]采用二维粒子成像技术(PIV)研究了压水堆堆芯流场中定位格架的影响。文献[6]利用激光多普勒测速装置(LDV)获得了距定位格架不同位置处棒束间横向速度的流场分布。本工作研究6×6棒束在等温条件下的流场分布，实验中采用5光束三维LDV，实验获得不同雷诺数下距定位格架不同位置处的轴向速度与湍流强度分布。

1 实验装置与实验方法

1.1 实验装置

本次实验采用的实验回路如图1所示，实验装置由主回路和冷却回路组成。主回路上装有两台并行布置的泵，根据实验对流量的要求选择合适的泵运行。主回路有两种运行模式：开式和闭式。开式运行模式下，回路连通开式水箱，回路在常压下进行。闭式模式可带压运行，这时开式水箱被隔离。本文实验中，回路在开式模式下运行。实验中流量通过安装在试验段管线的电磁流量计获得，测量误差在最大量程的1%范围内。通过控制旁排阀与试验段上的流量控制阀可实现流量的精确调节，精度可达0.1 m3/h。泵运行产生的热量通过热交换器传给冷却回路。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic of experiment apparatus

1.2 试验段

本文研究了6×6棒束在等温条件下的流场分布。6×6棒束试验段水平放置，其几何结构如图2所示。整个棒束由上下对称的两部分组成，其间距为14.4 mm。每部分棒间距为12.6 mm，近壁面处棒束中心与壁面间的间距为7.2 mm。试验段棒束长为1 509 mm、直径为9.5 mm。在棒束前后分别装有固定装装置，使棒束得到紧固。试验段中间布置有两个简易定位格架，间距为478 mm，距入口最近的定位格架与入口距离为478 mm。定位格架沿流道方向的高度为30 mm。为讨论方便，设定沿主流方向为y正方向；垂直向上为z正方向；原点定在棒束截面的左下角；从原点水平向右的方向为x正方向。

图2 棒束几何结构Fig.2 Geometry structure of rod bundles

试验段三维图如图3所示，水经下端圆形管道从入口进入。为了减少入口效应的影响，在距入口上游10 cm处安装了整流器。两个对称布置的出水口安装在试验段出口，以尽量减小出口效应的影响。实验中测量区域如图3所示，在试验段的侧面设有3个测量窗口，沿主流方向分别为MA-1、MA-2、MA-3。试验段的出口端口设有1个测量窗口，为MA-4。整个试验段中除了窗口为石英玻璃材料外，其余均为不锈钢材质。

图3 试验段三维图Fig.3 Three-dimensional view of test section

1.3 测量装置

实验中使用的LDV是由Dantec公司生产的5光束三维激光多普勒测速系统，此系统包括氩离子激光器、分光器、激光探头、坐标系统、处理器等部件。氩离子激光器产生3种波长的激光：476.5 nm(紫光)、488 nm(蓝光)、514.5 nm(绿光)。分光镜将混合光依波长区分出来。激光探头将1束蓝光和1束绿光混合成1束光照射出来，这样从激光探头射出5光束。激光探头的另一作用是信号接收器，接收激光经粒子反射后的信号。坐标系统是1套精确控制激光测量位置的坐标架，精度为0.01 mm。通过人工调光与软件控制坐标架，实现了棒束间测量区域的精确定位。

测量时，5束激光相交形成椭球状测量体，其长轴为激光出射的方向。本次实验中使用的探头焦距为310 mm，在水中，测量体是1个长轴为800 μm、2个短轴均为50 μm的椭球。激光的光束及测速方向LDV1、LDV2、LDV3如图4所示，所测数据通过转化后得到u、v、w方向的速度。实验中每个测量点的采集时间设为50 s，或最大采集样本数设为10 000。

图4 激光速度分解方向示意图Fig.4 Decomposition direction schematic of laser velocity

1.4 测量方法及数据处理方法

两种测量模式下其测量区域如图5所示。图5a为侧面测量模式下MA-1、MA-2和MA-3测量区域的测量位置示意图。每个测量区域有4块测量通道。由上向下依次标为T1、T2、T3、T4。其T1和T4测量通道中分布有108个测点，T2和T3测量通道中分布有135个测点。图5b为端面测量模式下MA-4测量区域的测量位置示意图。此测量区域9个子通道中分布有61个测点。

图5 侧面(a)和端面(b)测量区域Fig.5 Measurement area of side view (a) and outlet view (b)

本次实验数据处理中，每一测点上的平均速度用这点上所有瞬时速度的平均值表示，即：

(1)

每一测点上的湍流强度用脉动速度的均方根代表，即：

(2)

2 结果与分析

本次实验在5种雷诺数工况下进行，分别为6.6×103、1.32×104、2.64×104、5.27×104、7.03×104。这5种工况下，主流速度分别约为0.5、1、2、3、4 m/s。本文选择雷诺数为2.64×104(即主流速度为2 m/s)的工况结果进行分析。

2.1 LDV测量数据的不确定性

在LDV测量中，如果采集的数据样本不充裕，则可能产生系统性误差。用εmean表示95%置信水平下的置信极限，εmean与采样样本N间的关系可通过下式表示：

(3)

其中：1.96为在95%置信区间下的置信极限因子；σμ为速度方差；Umean为平均速度。

当湍流强度小于50%时，平均速度的不确定度可被限制在0.5%。当平均速度趋向于0且湍流强度非常大时，如果需获得较小的不确定度，则N需要非常大。因此，对于靠近壁面附近的采集点，由于采样数较少，其不确定度较其他位置偏大。速度脉动均方根在95%置信水平下的置信极限εRMS与N的关系为：

(4)

因此，RMS的不确定度可被限制在0.7%。在一些靠近壁面的测量点上，由于采集样本数较少，其不确定度较大。

测量数据的不确定度也受由测量得到的转换矩阵的影响。通过对其敏感性研究发现，由转换矩阵产生的轴向速度和湍流强度不确定度在1%范围内。

2.2 定位格架下游的流动发展情况

在试验段的MA-1、MA-2和MA-3位置进行了轴向速度与湍流强度的测量。图6为Re=2.64×104工况下3个不同测量位置处获得的轴向速度分布。图7为Re=2.64×104工况下各测量位置不同测量区域中心线上的轴向速度分布。

从图6可看出，在MA-1测量位置，定位格架的影响比较明显。内部子通道中心处的最大速度达到主流速度的1.8倍。由于定位格架的影响，在定位格架下游，被定位格架阻挡的流体大部分从相邻的子通道中流过，从而使这部分子通道中流速变大。在距定位格架更远的下游处MA-2、MA-3测量区域，轴向速度在这两个区域较MA-1区域分布均匀。在MA-2、MA-3测量区域，轴向速度最大处仍出现在内部子通道中心。轴向速度最小处出现在角通道区域。组件间子通道中的速度仍保持相对较低的速度。

图6 定位格架下游轴向速度分布Fig.6 Distribution of axial velocity for grid space downstream

图7 测量区域中心线轴向速度分布Fig.7 Distribution of axial velocity at the centreline of measured area

从图7中z=39.6 mm处，即T1测量通道，可观察到在MA-1处，轴向速度在x方向分布很不均匀，而随着距定位格架越来越远，这部分的轴向速度逐渐趋于平坦。在z=26.1 mm和z=13.5 mm时，MA-1处速度波动较大，其他测量点速度分布趋势趋于稳定，受定位格架影响较小。

图8为Re=2.64×104工况下轴向速度脉动均方根分布，即湍流强度分布。从图8a可看出，在MA-1处，剪切流在子通道中心处产生了非常高的环状湍流；在MA-2和MA-3处，靠近壁面附近的棒束间隙处存在有较强的湍流，其产生原因与之前不同，它是由于边通道和相邻的内部子通道存在有较大的速度梯度，从而产生大的湍流强度。而在子通道间的棒束间隙处不存在这类湍流。这表示内部子通道间的湍流交混较内部子通道与边通道间的湍流交混弱。从图中还可发现，组件间子通道中的湍流强度较内部子通道湍流强度小，紧密栅结构可很明显地维持子通道中湍流强度。

图9为Re=2.64×104工况下测量区域中心线轴向速度均方根分布。从图9能很清楚地观察到湍流强度分布趋势，在MA-1处，由于射流的作用，各处湍流强度普遍较大。在MA-2、MA-3和MA-4处，由于边通道和相邻内部子通道间的速度梯度原因，在它们中间的棒束间隙处均存在较强的湍流强度。在定位格架下游的MA-2、MA-3测量区域，由定位格架附近的剪切流产生的湍流消失，但在棒束间隙，依然存在较大的湍流。

a——MA-1，y=55 mm；b——MA-2，y=170 mm；c——MA-3，y=285 mm

a——z=39.6 mm；b——z=26.1 mm；c——z=13.5 mm；d——z=1 mm

对于MA-3测量位置，由于其距定位格架较远(285 mm)，可将此位置的流动情况认为是充分发展的棒束流动。用实验研究了不带格架的棒束流动中经过充分发展的湍流流动[7]。实验中还观察到棒心距P与棒束直径D的比值P/D越小，棒束间隙或子通道中湍流强度越大[7]。其实验观察到棒束间隙处的湍流强度较子通道中心处的湍流强度更剧烈的现象，其结论与本文实验结果相符。

2.3 三维流场分布

在MA-4位置，从端面测量了9个子通道中的流场，MA-4位置处定位格架的影响很小。由于试验段横截面具有对称性，根据实验中测量的9个子通道中的速度，通过对称的方法获得了整个MA-4截面上的子通道中的速度分布。图10为Re=2.64×104工况下以矢量形式表示的截面横向平均流速。从图10可发现，截面中存在横向流动，流动方向是从边通道流向内部子通道，从棒束间隙处流向内部子通道中心。产生这种横向速度流动的原因是出口处的固定支架。出口处固定支架的示意图如图5b所示，这种结构会使靠近出口截面的子通道中产生不同的压降，从而驱使流体流向无障碍的棒束出口。出口固定支架的不对称，也使出口端的流场呈现出轻微的不对称性。实验中其他雷诺数下的工况同样出现上述趋势。

图10 测量子通道上的横向平均流速Fig.10 Mean lateral flow velocity in measured subchannel

在端面测量实验中，9个子通道中的三维速度分量已经获得，可根据下式计算单位质量流体的湍动能。

(5)

由式(5)计算得到的湍动能经归一化后得到的分布如图11所示(Re=2.64×104)。从图中可看出，棒束的边缘处湍动能较大。9个子通道中，湍动能相对较小。其中，距壁面越近的棒束间隙处湍动能较内部棒束间隙处的湍动能稍大，组件间子通道中湍动能较其他内部子通道中湍动能小。因此，在维持棒束间高湍动能方面，P/D的影响非常重要。

图11 测量子通道上的湍动能Fig.11 Turbulent kinetic energy in measured subchannel

2.4 雷诺数的影响

通过对不同雷诺数工况下的实验结果进行分析，研究了雷诺数对此次6×6棒束实验的影响。为了能直观地观察到雷诺数的影响，图12、13选择了3条水平线上的点来展现这些关系。由于截面具有对称性，实验中部分子通道的数据进行了对称处理。速度和湍流强度根据主流速度进行了归一化处理。从轴向速度和轴向湍流强度图中看到在Re=6.6×103工况下，出现低雷诺数效应。在此工况中组件间子通道中的轴向速度和轴向湍流强度较其他子通道中相对较大。此低雷诺数效应在边通道和相邻的内部子通道中间的棒束间隙处表现很明显。在这一区域，Re=6.6×103工况下的轴向速度相对其他高雷诺数时较大。在5个工况中，发现组件间子通道中的速度分布较其他部分子通道中的速度分布均匀。

图12 子通道中心3条水平线上归一化轴向速度Fig.12 Normalized axial velocity along three horizontal lines through subchannel centres

图13 子通道中心3条水平线上归一化轴向速度脉动均方根Fig.13 Normalized axial RMS velocity along three horizontal lines through subchannel centres

3 结论

本次实验采用三维LDV测量了6×6棒束间的流场。其中，从侧面窗口采用3光束两维模式测得距定位格架不同位置处的轴向速度和轴向湍流强度分布。从出口端面视窗，采用5光束三维测量模式得到了出口端面处的三维流场。

从侧面测量模式结果可看出，在定位格架下游处，流动截面上速度分布不均匀性非常强烈，剪切应力在子通道中心产生环状高湍流强度。在距定位格架稍远处，由于相邻子通道中的速度差异，在边通道和内部子通道的交接处产生较大的湍流强度。

从出口端面测量结果可看出，端面中存在很强的横向流动，方向为从边通道向内部子通道，且横向流动趋势逐渐减小。在组件间子通道中，速度分布趋于均匀。对不同雷诺数下的实验结果进行对比分析后发现，雷诺数的影响较小。在Re=6.6×103的工况下，存在低雷诺数效应。

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Laser Doppler Measurement on Turbulent Flow in 6×6 Rod Bundles

YU Yang1, WANG Hao-nan1, YU Nan2,3, XIONG Jin-biao1,FU Xiao-liang2,3, CHENG Xu1, YANG Yan-hua1,2,3

(1.SchoolofNuclearScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.StateNuclearPowerSoftwareDevelopmentCenter,Beijing100029,China;3.NationalEnergyKeyLaboratoryofNuclearPowerSoftware,Beijing102206,China)

The experiment investigation on the turbulent flow in a 6×6 rod bundles was conducted with three-dimensional laser Doppler velocimetry (LDV). Five cases were selected to carry out the experiments at theReranging from 6.6×103to 7.03×104, in which the geometry of the 6×6 rod bundles was used to simulate the layout of two adjacent fuel assemblies. There are two LDV measuring positions in the experiment. One is the side view of the experiment facility where the axial velocity and turbulence intensity at different distances from grid spacer were obtained. The other measuring position is at outlet of the rod bundle where three-dimensional velocity distribution and Reynolds stress distribution were measured. By comparing the results at differentRe, the influence ofReon the experiment was analyzed. The low Reynolds number effect is found withRe=6.6×103.

laser Doppler velocimetry; 6×6 rod bundles; three-dimensional flow field; Reynolds number effect

2014-03-21;

2014-05-09

国家科技重大专项资助项目(2011ZX06004-024)

俞 洋(1988—)，男，江苏海门人，硕士研究生，核能科学与工程专业

TL332

A

1000-6931(2015)07-1200-08

10.7538/yzk.2015.49.07.1200