[发明专利]一种横向非均匀间接加热矩形通道流动可视化试验装置

说明书

一种横向非均匀间接加热矩形通道流动可视化试验装置，由流道本体模块、功率加载模块和夹装固定模块组成；通过方便的调节各个电加热元件的输出功率，根据研究需要实现不同形式的横向热流分布；本实验装置可用于开展矩形窄缝流道在横向非均匀热流工况下流动可视化试验研究，研究不同压力、温度、流量和横向热负荷分布等热工参数以及相应几何参数对窄缝通道内流动特性的影响，获得相应气泡动力学特性和流型转变准则；同时本实验装置还可以结合先进的测量设备和测试手段，获得详细的流场和温度场信息；此外，本试验装置设计有合理的夹装固定模块，确保试验装置可以在宽广的热工参数范围内运行，满足不同工程实际应用背景下的试验工况要求。

技术领域

本发明属于能源动力工程领域核反应堆热工流体实验研究技术领域，具体涉及一种板型燃料元件横向非均匀加热矩形通道流动可视化试验装置。

背景技术

随着核能技术应用的增多，研究中小型核电机组以及热电联供等多用途反应堆的技术发展越来越快。由于一体化反应堆在技术和经济方面，特别适合于小规模核电站，并且完全满足未来核电的安全性要求。同时由于一体化结构是将反应堆的压力壳、蒸汽发生器和主泵联结成一个整体，反应堆的所有部件都是一个完整的结合体，这就使反应堆具有结构紧凑、系统简单、体积小、重量轻、便于安装调试、可提高轴功率等一系列优点，并有助于采用自然循环冷却方式，因此也广泛地应用于船用核动力装备。

一体化结构反应堆堆芯采用板状燃料元件，堆芯传热好，燃料芯体温度低，可大幅度提高堆芯的功率体积比，是一种较为先进的紧凑堆芯。反应堆堆芯的板状燃料元件通道，相邻燃料板间隙一般为1～3mm，构成一种典型的矩形窄缝流道。另外，核电站中广泛存在且大量使用各类换热器实现热量之间的传输和过渡，这些换热器很多也都设计成矩形或环形窄间隙流道结构，由于该类通道在较小的体积下具有较大的比表面积，满足一体化反应堆各系统结构紧凑的要求，同时该类结构通道加工方便，在通道内高速流体的冲刷下，换热表面不易结垢和污染，有效降低了后期使用过程中的维护费用，延长了使用寿命。

此外，在核反应堆工程以外的诸如航天技术、制冷技术、电子器件冷却等工程领域，窄缝通道也广泛存在并得到广泛的实际工程应用。随着超导材料研究工作的飞速发展，超导材料的临界温度已提高到液氮温度以上，利用液氦或液氮对超导磁体进行有效地冷却，窄通道结构将是其有效的冷却结构；随着电子工业的迅速发展，电子元器件和复杂电子电路的冷却也是人们面临的一个重要课题。由于电子电路的复杂性以及愈来愈高的集成度，因此利用窄缝通道内强化的沸腾传热对电子电路及电子元器件进行冷却是一种既经济又有效的强化传热方法。

目前国内外学者对矩形结构通道内的流动与传热特性开展了大量卓有成效的研究工作，但是几乎全部是基于等壁温或等热流边界条件。然而在实际工程应用中，受堆内构件布置、辐照环境以及各类外部复杂环境或者极端运行工况的影响，矩形流道受热面时常运行在非均匀热负荷环境中，此时，通道内工质的流动与换热特性将可能会偏离正常运行工况，尤其是涉及相变介质的流动传热问题，在非均匀热负荷下，气泡的生成、成长、受限、融合以及迁移等微观行为与常规情况下均有所不同，从而造成其内部宏观流动和换热规律与常规情况下有所差异，由此导致的差异性对于设备和系统的安全运行至关重要，因此合理设计具有横向非均匀加热条件的试验测试装置，开展非均匀热负荷下气泡行为和流型发展的可视化研究具有重要的理论价值和工程指导意义。

中国专利申请公布号CN102313641A公开了一种单相和两相立体可视化矩形窄缝实验装置。该装置包括导热黄铜板、可视窗、电加热元件、底部承压体、测压组件等部件。其中导热铜板与可视窗上的矩形窄缝凹形流道组成矩形窄缝封闭流道，形成用于单相和两相立体可视化研究的矩形窄缝实验装置；电加热元件为方形铠装结构，嵌入导热铜板背部方形槽内，并通过紧固板压紧。该类电加热元件外表面完全绝缘，不需要考虑与实验装置的绝缘问题，实验过程中先开启电加热元件，再通过导热铜板将热量传递给工作介质。但是，该实验装置中电加热元件只能模拟均匀热流环境，无法应用到模拟横向非均匀热负荷环境下的可视化研究。