鮑國(guó)剛，朱志強(qiáng)，賀 建，高 勝，灑榮園，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

（中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中國(guó)科學(xué)院中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230031）

液態(tài)鉛鉍合金是先進(jìn)反應(yīng)堆－加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（ADS）優(yōu)選的散裂靶材料和冷卻劑材料，堆芯組件的布局以及靶窗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與其周圍鉛鉍的流動(dòng)速度分布直接相關(guān)［1］。因此，急需開(kāi)展液態(tài)鉛鉍合金流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的研究以滿足上述實(shí)際應(yīng)用需求。FDS［2］團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)建造的KYLIN－Ⅱ熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置可以開(kāi)展堆芯組件的布局優(yōu)化研究，為鉛鉍冷卻反應(yīng)堆CLEAR的相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證［3，4］。

液態(tài)鉛鉍合金是一種高溫不透明流體，常用的光學(xué)類速度場(chǎng)測(cè)量方法，如粒子成像測(cè)速（PIV）、激光多普勒測(cè)速 （LDV）、高速CCD成像等已經(jīng)不再適用。皮托管測(cè)速、熱線／熱膜測(cè)速、機(jī)械光學(xué)法等速度場(chǎng)測(cè)量方法需要將測(cè)量探頭侵入到被測(cè)介質(zhì)中，由此帶來(lái)的擾動(dòng)將會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度。為了保證測(cè)量精度，一般侵入式的測(cè)量探頭尺寸都非常小，但這難以滿足液態(tài)鉛鉍合金高密度、大黏度、腐蝕性等屬性對(duì)測(cè)量探頭高強(qiáng)度的要求。超聲多普勒測(cè)速技術(shù)（UDV）與LDV原理相似，即：超聲波與介質(zhì)中示蹤粒子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，反射回的超聲波產(chǎn)生頻移，分析該頻移信息測(cè)得速度場(chǎng)分布。相比之下，UDV測(cè)速技術(shù)克服了LDV不能在非透明介質(zhì)中傳播的缺點(diǎn)。超聲波成像技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)，Takeda Y率先將該技術(shù)應(yīng)用到了物理與工程中流體的測(cè)量并最早利用該技術(shù)進(jìn)行了低溫液態(tài)金屬汞的測(cè)量［5］；Brito、A.Cramer等人分別利用該技術(shù)進(jìn)行了低溫液態(tài)金屬鎵與鎵銦錫的測(cè)量［6－7］；為克服高溫限制，S.Eckert等人研制超聲波導(dǎo)管，把超聲多普勒測(cè)速技術(shù)應(yīng)用到了350℃以上的液態(tài)金屬流動(dòng)測(cè)量［8－9］；Y.Ueki［10］等人利用自制的高溫探頭 HTUDV對(duì)320℃的鉛鋰介質(zhì)進(jìn)行了測(cè)量。

本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)裝置，首先對(duì)常溫水的流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證商用超聲波多普勒測(cè)速技術(shù)用于速度場(chǎng)分布測(cè)量的可行性。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)150℃液態(tài)鉛鉍的流動(dòng)測(cè)量，驗(yàn)證該技術(shù)應(yīng)用于高溫液態(tài)鉛鉍介質(zhì)中測(cè)量的可行性，同時(shí)探討其存在的技術(shù)難點(diǎn)以及可能的解決方法。掌握該技術(shù)，可為在KYLIN－Ⅱ?qū)嶒?yàn)回路開(kāi)展熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 超聲多普勒測(cè)速儀與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 超聲多普勒測(cè)速原理

超聲多普勒測(cè)速儀能夠以非侵入式的方式測(cè)量不透明流體的流動(dòng)并且可以實(shí)時(shí)傳遞全場(chǎng)速度分布信息。根據(jù)超聲多普勒測(cè)速原理得到［1］。

式中：vR——接收器相對(duì)介質(zhì)的速度，m／s；vs——波源相對(duì)介質(zhì)的速度，m／s；c——介質(zhì)中的聲速，m／s；λ——波源靜止，相鄰兩相位等相面的距離，m；T——時(shí)間，s；fe——波源發(fā)射聲波的頻率，Hz；fr——接收器接收聲波的頻率，Hz。

示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度v遠(yuǎn)小于聲波傳播速度c，且實(shí)際上示蹤粒子的速度v只是速度在聲波傳播方向的分量，因此：

式中，fD——頻移，Hz。

1.2 液態(tài)鉛鉍合金流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量分析

為了實(shí)現(xiàn)鉛鉍合金的流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量，高溫、媒質(zhì)的特性阻抗匹配、潤(rùn)濕性等問(wèn)題需考慮。超聲波一般是利用壓電材料的電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生，由于受到壓電材料居里點(diǎn)溫度特性的影響，普通的超聲波探頭很難應(yīng)用于高溫（＞250℃）介質(zhì)工況。因此，要選擇居里點(diǎn)溫度高的壓電材料用于超聲波的產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)中液態(tài)鉛鉍介質(zhì)溫度范圍為130～250℃，商用高溫超聲波探頭能夠滿足要求。

特性阻抗是表征媒質(zhì)固有特性的一個(gè)重要物理量，其大小是媒質(zhì)密度與聲速的乘積值。特性阻抗比媒質(zhì)密度、媒質(zhì)中聲波傳播速度的單獨(dú)影響還要大。

特性阻抗計(jì)算公式為：

式中z——介質(zhì)的特性阻抗，Ns／m3；c——介質(zhì)中的聲速，m／s；ρ——介質(zhì)的密度，kg／m3；

鉛鉍合金介質(zhì)物性參數(shù)見(jiàn)表1，則液態(tài)鉛鉍特性阻抗zPbBi為：

表1 介質(zhì)物性［1，11］Table 1 Properties comparison of the measured medium

為保證超聲波的有效傳播，重點(diǎn)考慮的是匹配壓電材料、耦合介質(zhì)、探頭前壁材料與被測(cè)液態(tài)鉛鉍合金之間的特性阻抗。其中，鋁特性阻抗zAl為［8］：

理論上，單從特性阻抗匹配程度來(lái)說(shuō)，鋁的特性阻抗與鉛鉍的特性阻抗非常接近，是一種優(yōu)良的探頭前壁材料。超聲多普勒測(cè)速是一種非侵入式的測(cè)量方式，但是超聲波探頭需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，這就要求探頭前壁材料能與被測(cè)介質(zhì)之間達(dá)到良好的潤(rùn)濕性。一般可以通過(guò)機(jī)械拋光以及化學(xué)酸洗等方法來(lái)優(yōu)化前壁材料與鉛鉍合金的潤(rùn)濕性［8］。

1.3 旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)裝置

旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)裝置原理如圖1所示，裝置包含加熱系統(tǒng)，可以將液態(tài)鉛鉍合金加熱到250℃，通過(guò)K型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，溫度信號(hào)反饋到控制器，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)進(jìn)入保溫狀態(tài)?？刂破鬟€可以控制攪動(dòng)盤的攪動(dòng)速率，以達(dá)到在不同速率下進(jìn)行測(cè)量的目的。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of test facility

2 流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量

2.1 常溫水流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量

首先在旋轉(zhuǎn)裝置中使用超聲多普勒測(cè)速儀對(duì)常溫水的流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量區(qū)域位于攪動(dòng)盤與不銹鋼坩堝之間，如圖1中所示位置1。對(duì)不同測(cè)量工況，需對(duì)超聲多普勒測(cè)速儀進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置，綜合考慮本實(shí)驗(yàn)工況條件，其部分重要參數(shù)如表2所示。

表2 超聲多普勒測(cè)速儀參數(shù)Table 2 Parameters of ultrasound Doppler Velocimetry（UDV）

圖2是超聲多普勒測(cè)速儀實(shí)時(shí)記錄并顯示流動(dòng)速度場(chǎng)分布情況。根據(jù)超聲多普勒測(cè)速原理，超聲波探頭測(cè)量位置固定，攪動(dòng)方向相反時(shí)，測(cè)得流動(dòng)速度對(duì)稱分布，這與圖2b）測(cè)量結(jié)果相一致。超聲波傳播到不銹鋼坩堝底部時(shí)發(fā)生反射，因此，圖2所示深度55mm附近，能量幅值與流動(dòng)速度發(fā)生突變，這是判定測(cè)量深度的重要依據(jù)。

圖2 順時(shí)針／逆時(shí)針攪動(dòng)時(shí)流速與超聲波能量隨深度的變化情況Fig.2 Velocity of the water varying in opposite stirring directions

實(shí)驗(yàn)中以w為基數(shù)倍增調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤攪動(dòng)速度。圖3給出了不同深度，流速與攪動(dòng)速度的變化關(guān)系，由此可知：同一深度，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流速增加；不同深度，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流速變化不同，距離攪拌盤越近的位置流速增加越快。上述測(cè)量結(jié)果與理論規(guī)律一致，證明了UDV測(cè)速技術(shù)用于速度場(chǎng)測(cè)量的可行性。

圖3 不同深度處流速與攪動(dòng)速度的變化關(guān)系Fig.3 Velocity of the water varying with the stirring rate at different depths

2.2 液態(tài)鉛鉍流動(dòng)速度場(chǎng)測(cè)量

基于圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)150℃的液態(tài)鉛鉍攪動(dòng)狀態(tài)下的流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。為了證明該超聲波探頭可以用于液態(tài)鉛鉍的流動(dòng)測(cè)量，首先對(duì)超聲波的能量幅值與速度分布情況進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示，此時(shí)，測(cè)量區(qū)域?yàn)閿嚢璞P上部液態(tài)鉛鉍區(qū)域，如圖1中所示位置2。

圖4說(shuō)明，超聲波探頭發(fā)出的超聲波在遇到攪動(dòng)盤后發(fā)生了反射，超聲波能量在探頭與攪動(dòng)盤之間來(lái)回振蕩而逐漸減小，對(duì)應(yīng)的速度也不斷發(fā)生相應(yīng)發(fā)生同周期的變化。由于來(lái)回振蕩導(dǎo)致時(shí)間偏移增大，接收器接收超聲波的頻率fr減小，從而流速值周期性增大。

固定探頭位置不變，調(diào)節(jié)攪拌盤的攪動(dòng)速度，類似于對(duì)介質(zhì)水的測(cè)量，以轉(zhuǎn)速w′為基數(shù)倍增調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤攪動(dòng)速度，測(cè)量結(jié)果如圖5所示，測(cè)量點(diǎn)為一定深度處速度平均值，相應(yīng)的曲線為不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量結(jié)果的擬合。攪拌盤上部液態(tài)鉛鉍的流動(dòng)速度隨著攪拌盤轉(zhuǎn)速的增加而增大，且呈拋物線形分布。

圖4 不同深度處超聲波能量與流速的關(guān)系Fig.4 Velocity and nergy corresponding to a periodic distribution at different depths

如圖5所示，取拋物線中間位置（約Depth＝9.48mm）處不同轉(zhuǎn)速時(shí)鉛鉍的流動(dòng)速度值，其結(jié)果分布如圖6所示。由此可以得出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，同一深度處的流動(dòng)速度線性倍增。在95%的置信區(qū)間內(nèi)，其線性變化情況滿足方程：

這說(shuō)明，攪動(dòng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速增加1倍，同一深度處液態(tài)鉛鉍流動(dòng)速度相應(yīng)增加約0.6倍。盡管該比例系數(shù)會(huì)受攪動(dòng)裝置尺寸、介質(zhì)溫度等條件的影響，但是，測(cè)量結(jié)果與理論規(guī)律的一致性仍然成立，從而驗(yàn)證了UDV技術(shù)應(yīng)用于高溫液態(tài)鉛鉍介質(zhì)中測(cè)量的可行性。

圖5 不同深度處流速與攪動(dòng)速度關(guān)系Fig.5 Velocity of the LBE changed with the stirring rate at different depths

圖6 同一深度處流速與攪動(dòng)速度的關(guān)系Fig.6 Velocity of the LBE changed with the stirring rate at depth＝9.48mm

3 結(jié)論

本文首先討論了UDV測(cè)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，基于攪動(dòng)裝置給出了對(duì)常溫水與液態(tài)鉛鉍的測(cè)量結(jié)果?；跀噭?dòng)裝置對(duì)常溫水和液態(tài)鉛鉍的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明：同一深度處，隨著轉(zhuǎn)速增加流速增加，且具有非常好的線性度；不同深度處，隨著轉(zhuǎn)速的增加流速變化不同，但距離攪拌盤越近的位置流速增加越快。從而證明，測(cè)量結(jié)果與理論規(guī)律一致，初步驗(yàn)證UDV測(cè)速技術(shù)應(yīng)用于高溫液態(tài)鉛鉍介質(zhì)中測(cè)量的可行性。對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量分析有待通過(guò)其他精確的測(cè)量手段對(duì)比分析或通過(guò)模擬計(jì)算驗(yàn)證。后期，UDV技術(shù)將應(yīng)用于KYLIN－Ⅱ回路開(kāi)展關(guān)于先進(jìn)反應(yīng)堆ADS的熱工水力學(xué)相關(guān)速度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究。

致謝

特別感謝FDS團(tuán)隊(duì)其他成員對(duì)本文工作的支持和幫助。

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［2］ www.fds.org.cn

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