一种海洋条件下气溶胶水洗特性研究实验装置及方法

本发明涉及反应堆热工水力实验，具体涉及一种海洋条件下气溶胶水洗特性研究实验装置及方法。

背景技术：

1、核电厂严重事故下，安全壳内会弥散大量裂变产物(放射性气溶胶和气态碘)，裂变产物通过喷射器注入到乏燃料水池中以降低安全壳超压失效的风险，并利用池洗效应去除泄露的放射性气溶胶。气溶胶水洗是核电厂严重事故下放射性源项分析的重要环节，典型例子包括bwr的抑压水池水洗，pwr的稳压器泄压箱水洗以及cap1400的乏燃料池水洗等。载有放射性气溶胶的混合气体注入水池后，会形成许多气泡，气泡从形成到上升至水池表面，气泡内的气溶胶粒子则在此过程中迁移至气液表面从而被滞留在水池中，并向水池中沉积；而悬浮在不可冷凝气体中的气溶胶颗粒在水池中上升过程中，也会由于重力沉降、惯性撞击等机理向水池中迁移。此过程中会发生复杂的热工水力现象及气溶胶去除过程，从而达到对放射性气溶胶的去除目的。

2、近些年，中国的核能事业快速发展，不仅陆基核反应堆大量开工建造，海上浮动核电站的研究也开始提上日程。与陆基核反应堆不同，海上核电站会受到海洋条件的影响，进而对反应堆中的流动、换热特性、裂变产物水洗等造成影响，对于海洋条件下的基本运动形式主要有六种：横荡、纵荡、横摇、纵摇、升沉和平摆。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种海洋条件下气溶胶水洗特性研究实验装置及方法，能够研究海洋条件对气溶胶水洗特性及运动变化的影响规律。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种海洋条件下气溶胶水洗特性研究实验装置，包括实验段的气溶胶测量系统、可视化系统、水浑浊度测量系统，供应段的气溶胶供应系统、蒸汽供应系统、氦气供应系统、空气供应系统、补水系统，模拟海洋条件的六自由度运动平台，废气排放系统；

4、所述气溶胶测量系统包括粒径谱仪22和相应的温度压力测量计，粒径谱仪22通过第二开关阀24与预混箱9连接，通过第一开关阀23和第五涡轮流量计17与可视化水箱15连接，气溶胶测量系统主管道上安装有第五涡轮流量计17、温度传感器26和压力传感器25；可视化系统包括相连接的可视化水箱15和可变直径喷管16，可视化水箱15固定在六自由度运动平台18上，可变直径喷管16位于可视化水箱15的侧面中心处，可变直径喷管16通过第四涡轮流量计13与预混箱9连接；水浑浊度测量系统包括浊度传感器14及数据测量采集设备，浊度传感器14位于可视化水箱15中，浮于水面以上；气溶胶供应系统包括气溶胶发生器8、预混箱9和加热器10；其中气溶胶发生器8与预混箱9直接连接，并通过三个可调节阀分别与氦气瓶1、空气压缩机2以及蒸汽发生器3相连，加热器10位于预混箱9内部，加热丝通过紧贴预混箱内壁实现对预混箱的加热；蒸汽供应系统包括蒸汽发生器3、汽水分离器5、第二涡轮流量计6以及温度、压力传感器；蒸汽发生器3通过第三开关阀27和第四开关阀28与汽水分离器5相连，并通过第二涡轮流量计6、蒸汽调节阀b3及温度、压力传感器与气溶胶发生器8连接，蒸汽旁路调节阀a3将蒸汽调节阀b3和气溶胶发生器8旁路，蒸汽供应通过关闭蒸汽旁路调节阀a3开启蒸汽调节阀b3通入气溶胶发生器8，实现对气溶胶颗粒的承载，并通过开启蒸汽旁路调节阀a3关闭蒸汽调节阀b3将蒸汽直接通入预混箱9，实现纯蒸汽的注入；氦气供应系统包括氦气瓶1、第三涡轮流量计7及温度、压力传感器，氦气瓶1与第三涡轮流量计7直接连接，通过氦气调节阀b1及温度、压力传感器与气溶胶发生器8连接，氦气旁路调节阀a2将氦气调节阀b1和气溶胶发生器8旁路，通过关闭氦气旁路调节阀a2开启氦气调节阀b1通入气溶胶发生器8，实现对气溶胶颗粒的承载，并通过开启氦气旁路调节阀a2关闭氦气调节阀b1将氦气直接通入预混箱9，实现氦气的注入；空气供应系统包括空气压缩机2、第一涡轮流量计4及温度、压力传感器，空气压缩机2与第一涡轮流量计4直接连接，通过空气调节阀b2及温度、压力传感器与气溶胶发生器8连接，空气旁路调节阀a1将空气调节阀b2和气溶胶发生器8旁路，通过关闭空气旁路调节阀a1开启空气调节阀b2通入气溶胶发生器8，实现对气溶胶颗粒的承载，并通过开启空气旁路调节阀a1关闭空气调节阀b2将空气直接通入预混箱9，实现空气的注入；补水系统包括补水箱11、补水泵12和止回阀29，补水系统注入管位于可视化水箱15的侧面下部，补水箱11、补水泵12、止回阀29及补水调节阀直接与可视化水箱15相连，实现对实验段的补水功能；模拟海洋的六自由度运动平台由六自由度运动平台18组成，为可视化水箱15提供支撑；废气排放系统由废气箱21组成；通过涡轮流量计17及废气排放开关阀与可视化水箱15连接，用以收集气溶胶水洗后的杂质；

5、该实验装置还包括配套的配电设备、仪控设备和数据测量采集设备。

6、上述实验装置对应的实验方法，

7、打开补水泵12，将补水箱11中的水供应给可视化水箱15，待水位达到指定高度后关闭补水泵12；开启气溶胶发生器8，打开空气压缩机2、蒸汽发生器3、汽水分离器5、氦气瓶1，将三种气体按照设定组成通入预混箱9并打开加热器10；开启浑浊度传感器14测量；在仪控设备处设置六自由度运动平台(18)所需要的倾斜、起伏、摇摆参数，使可视化水箱15处于所需的运动条件；待加热到指定温度后，开启第二开关阀24，通过粒径谱仪22测量通入气体中气溶胶浓度及直径；关闭第二开关阀24，开启第一开关阀23，将载气通过可变直径喷管16通入可视化水箱15中；对于气溶胶水洗实验，对于不同喷放流量、气溶胶浓度、直径及运动参数，待喷放时间达到目标要求后，通过数据测量采集设备持续采集信号，稳定测量一段时间后，完成该实验工况；实验完成后，关闭数据测量采集设备，并使六自由度运动平台18回到水平位置，实验结束；

8、实验结束后，通过导出粒径谱仪22中测得的气溶胶注入时的浓度和直径及气溶胶经过水洗后的浓度及直径，并读取数据测量采集设备中供应段载气质量流量及水洗后载气的质量流量，计算得到气溶胶水洗去除因子df；通过高速摄像机拍摄图片，通过matalb数据处理后，得到气泡运动过程中的运动形态变化。

9、和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

10、1、本发明的实验装置，通过控制相应的调节阀的开闭可以实现载气载有气溶胶或纯气体通入水箱，并且预混箱中的加热器能够对气体进行加热，使气体达到实验工况所需要的温度，同时减小供应段与实验段之间的温度差，防止发生疲劳失效。

11、2、本发明的实验装置中采用可变直径喷管(16)通过多层嵌套、可随时拆卸固定的方式，可以实现在不需要重新安装的情况下，不同直径工况下的实验测量，增加了实验的便捷性。

12、3、本发明的实验装置中使用了六自由度运动平台，可以对六自由度(横荡、纵荡、横摇、纵摇、升沉和平摆)进行模拟，实现真实条件下的海洋模拟。

13、4、本发明实验系统中使用高速摄像机对气溶胶水洗过程中气泡的运动行为，以及单气泡运动过程中气溶胶的水洗去除效率进行拍摄，并通过matlab处理后实现气泡行为及气溶胶水洗去除效率进行监测计算。

14、总而言之，本发明解决了海洋条件下气溶胶水洗特性研究难题，弥补了相关空白，有助于加快池洗效应去除泄露的放射性气溶胶的研究推进，具有广阔应用前景。