автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка и исследование ультразвуковой волноводной системы визуализации двухфазного теплоносителя

/ г ¿7 ; /у / / ^ ^ |

( ' ^ О / , ' /

$ _

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Контелев Владимир Валентинович

УДК 621.039

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВО ШОВОДПОЙ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДВУХФАЗНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

05.14.03 - Ядерные энергетические установки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель доктор технических наук,

1 Л У^У АТ 1 Х-* . XI.

Нижний Новгород 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.........................................................................................................5

Глава 1. Критический анализ современных методов визуализации

двухфазных потоков высоких параметров....................................9

1.1. Классификация методов визуализации двухфазного теплоносителя..............................................................................9

1.2. Методы, основанные на использовании проникающего излучения.....................................................................................îQ

1.2.1. Высокоскоростная рентгеновская сйстема визуализации двухфазного потока.......................................................... 10

1.2.2. Другие ядерно-физические методы визуализации

(у и нейтронная диагностическая техника)......................18

1.3. Акустические методы..................................................................19

1.4. Электрические методы................................................................22

1.4.1. Система, основанная на измерении диэлектрических

свойств двухфазного потока............................................ .23

Î .4.2. Методы диагностики двухфазного потока, основанные на измерении электропроводности среды........................24

1.5. Сравнительная оценка методов..................................................28

Глава 2. Принципы построения многоточечной системы диагностики двухфазного теплоносителя, основанной на использовании ультразвуковых волноводных датчиков.....................................30

2.1. Анализ работ по разработке волноводных акустических

датчиков для измерений в экстремальных условиях ЯЭУ.........30

2.2. Исследование распространения ультразвука в элементах многоточечного датчика..............................................................33

2.3. Разработка основных конструктивных принципов и узлов акустического многоточечного датчика.....................................37

2.4. Разработка электронной аппаратуры системы диагностики двухфазного теплоносителя.........................................................47

Глава 3. Методика измерений распределения газосодержания (паросодержания) в трубопроводах, основанная на использовании акустических волноводов....................................53

3.1. Аналитическая модель взаимодействия двухфазного потока

с волноводами.............................................................................53

3.2, Анализ амплитудного распределения........................................57-'

3.3. Критерии выбора уровня дискриминации.................................60

Глава 4. Разработка методов информационно-аналитического

представления информации о структуре и режимах движения двухфазного теплоносителя..........................................................63

4.1. Особенности разработки интерфейса для инициирования датчика и ввода в компьютер получаемой информации..........63

4.2. Схемы визуализации получаемой информации на экране компьютера....................................................................................65

4.3. Методы корректировки результатов измерений.......................66

4.3.1. Пространственная и временная интерполяция...............67

4.3.2. Нелинейная обработка принятых сигналов....................68

4.4. Примеры визуализации потока теплоносителя в вертикальном трубопроводе................................................................................69

Глава 5. Результаты лабораторных и стендовых исследований

системы визуализации и их обсуждение.......................................72

5.1. Лабораторные исследования компонент многоточечного датчика.........................................................................................72

5.2. Результаты экспериментального тестирования системы визуализации на стенде "Петля"..................................................73

5.2.1 Техническое описание стенда и методика измерения......73

5.2.2. Карта режимов течения теплоносителя...........................77

5.2.3. Сравнительный анализ результатов измерений, полученных разными системами визуализации...............80

Введение

Двухфазные потоки широко используются в современной энергетике и во многих других отраслях промышленности, поэтому интерес инженеров и исследователей к ним чрезвычайно высок.

Особенно актуальна проблема исследования двухфазных потоков для ядерной энергетики, т. к. в ней двухфазные потоки используются в качестве основных рабочих сред - теплоносителей, поэтому разработка нового и совершенствование существующего энергетического оборудования невозможны без тщательных экспериментов, подтверждающих теоретические модели движения потока в конструктивных элементах этих устройств.

Прогресс в области исследования двухфазных теплоносителей непосредственно зависит от совершенства измерительной техники, применяемой для диагностики. Детальная информация о структуре теплоносителя, режиме его течения, дисперсности, полученная при помощи надежной измерительной аппаратуры, позволяет построить адекватные модели и рационально конструировать тепломассообменное оборудование, от которого, в конечном итоге, зависят надежность, безопасность, экономичность и долговечность ядерно-энергетических установок.

Достаточно давно и небезуспешно для исследования двухфазных потоков используются различные системы и методы, позволяющие измерять локальные и интегральные характеристики потока. Подробный и полный обзор этих методов (механические дифманометры, кондукто-метрические ячейки, оптические средства и акустические зонды, ядерно-физические системы) дан в [!]. Однако все эти системы в основном позволяют определить усредненные во времени и в пространстве характеристики потока, например, среднее объемное паросодержание, средний диаметр пузырей и т. д., либо локальные характеристики двухфазных

смесей в определенных точках.

Оценка таких параметров как теплообмен, перепад давления, вибрация, вследствие сильной зависимости от структуры потока, требует знания информации о распределении фаз, и наиболее желательно иметь представление о мгновенном распределении фаз в потоке с высоким разрешением во времени и в пространстве. Такого рода информацию об "истории" потока; картине газораспределения, взаимном движении фаз, их локализации и размерах позволяют получить, так называемые, диагностические системы визуализации, интенсивно развивающиеся в последнее время. При решении задачи визуализации, наиболее важной целью является разработка диагностической системы с разрешением, которое позволяет идентифицировать отдельные газовые (пузырьки, снаряды) и жидкие (пробки, капли) фракции и определить их параметры (форму, объем, диаметр и т. д.).

Целью данной работы является разработка ультразвуковой волно-водной системы для визуализации двухфазных теплоносителей, основанной на измерении акустической проводимости двухфазной смеси, и исследование влияния гидродинамических, конструктивных и технологических факторов на условия осуществления процесса визуализации по предложенной методике.

Разработка визуализационных систем, стала возможна только в последние годы, на фоне бурного развития электронно-вычислительной техники, после создания мощных компьютеров, т. к. в процессе визуализации необходимо манипулировать большими объемами экспериментальных данных, что требует значительных машинных ресурсов и высокого быстродействия обработки информации.

Однако, несмотря на все те огромные возможности, которые получает экспериментатор благодаря современной электронике, компьютер, к сожалению, не сможет построить картину потока адекватную реальной

ситуации, если на его вход не будут поданы достоверные данные. Ответственным элементом за сбор этих достоверных данных является первичный элемент диагностической системы - датчик. Автор является сторонником применения ультразвуковых волноводных датчиков. По сравнению с другими первичными датчиками, ультразвуковые волноводные системы обладают рядом преимуществ и достоинств (о которых подробнее будет рассказано ниже) и, что самое главное, обладают достаточной надежностью при эксплуатации в экстремальных условиях. Именно экстремальные условия характерны для оборудования ядерных энергетических установок (ЯЭУ), а для исследования двухфазных потоков, в том числе и с параметрами ЯЭУ, разрабатывалась данная ультразвуковая волноводная система визуализации.

В диссертационной работе автор защищает:

- принципы построения и конструктивные особенности высокоскоростной ультразвуковой волноводной многоточечной системы для визуализации нестационарных процессов в двухфазном теплоносителе ЯЭУ;

- методику визуализации двухфазного потока в трубопроводе, основанную на измерении параметров акустических сигналов, прошедших через контролируемые объемы, равномерно распределенные по сечению трубопровода;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований физики распространения ультразвуковых сигналов в сложных волноводных конфигурациях и прохождения ультразвука в контролируемых объемах, образованных решетками волноводов;

- результаты экспериментального тестирования системы визуализации в разных режимах течения двухфазного теплоносителя на тепло-физическом стенде.

Диссертация содержит пять глав, выводы и список использованной литературы. В первой главе приведены сравнительный анализ и критическая оценка новейших, основанных на различных физических принципах, систем для визуализации двухфазных теплоносителей. Вторая глава посвящена принципам построения и конструктивным особенностям, разработанной ультразвуковой диагностической системы. В третьей главе изложена методика измерений распределения газосодержания в двухфазных потоках при помощи данной системы. В четвертой главе описывается разработка методов информационно-аналитического представления информации о структуре и режимах движения двухфазного теплоносителя. Результаты экспериментального тестирования ультразвуковой волноводной системы визуализации на тепло-физическом стенде и их обсуждение приводятся в пятой главе.

Глава 1. Критический анализ современных методов

визуализации двухфазных потоков высоких параметров

1.1. Классификация методов визуализации двухфазного теплоносителя

В настоящее время разработаны и эксплуатируются множество измерительных приборов и устройств для диагностики двухфазных потоков. В данной главе рассмотрены только те из них, которые удовлетворяют следующим критериям:

1. В число сравниваемых конструкций, вошли приборы рассчитанные на эксплуатацию в двухфазных потоках с экстремальными параметрами (высокое давление и температура, большая скорость движения).

2. Все анализируемые системы позволяют получить изображения сечения потока, причем быстродействие, всех рассмотренных систем, позволяет визуализировать потоки в реальном масштабе времени.

3. Описаны только те разработки, которые изготовлены и апробированы на теплофизических стендах, т. е. которые прошли реальное экспериментальное тестирование.

Сравнивая различные системы визуализации, можно разделить их на две большие группы - бесконтактные и контактные. В системах бесконтактного типа, датчики не содержат частей внедренных в поток, и используется какое-либо проникающее излучение для получения проекций о распределении определенных физических свойств вещества (например: показатель преломления, ослабление излучения и т. д.) в измеряемом поперечном сечении. По этим проекциям компьютером осуществляется восстановление изображения сечения по алгоритмам реконструктивной вычислительной томографии. Ко второй группе можно отнести системы контактного типа. В этих системах датчики содержат чувствительные элементы (проволочки, стержни), помещенные

непосредственно в контролируемый поток, при этом для уменьшения (минимизации) влияния на поток используются различные технические решения (уменьшение диаметров чувствительных элементов, придание им специальной обтекаемой формы и т. д.). В таких системах восстановление изображения осуществляется по анализу характеристик сигналов, прошедших через контролируемые объемы, равномерно распределенные в измеряемом поперечном сечении. Обе группы имеют свои достоинства и недостатки и, соответственно, определенную область применения.

1.2. Методы, основанные на использовании проникающего излучения

Среди бесконтактных систем, разработанных для диагностики двухфазных теплоносителей, широкое распространение и наиболее глубокое развитие получила техника на основе какого-либо проникающего излучения (рентгеновское, у- и нейтронное излучение).

1.2,1. Высокоскоростная рентгеновская система визуализации двухфазного потока

Рентгеновская томография исторически была первым средством визуализации, которая весьма успешно применяется в течении многих лет в медицине и материаловедении. Еще в 1921 г. радиологи, используя рентгеновское облучение предложили метод, который называется томографией фокальной плоскости [2]. Принцип этого метода иллюстрирует рисунок 1. Видно, что до засвечивания фотопленки рентгеновские лучи проходят через весь исследуемый объект и, в частности, через непрерывный ряд параллельных плоскостей, например через плоскости, обозначенные А, В и С. Источник рентгеновских лучей перемещается в одном направлении вдоль прямой линии в верхней плоскости Б, а фотопленка

одновременно движется в противоположном направлении в расположенной ниже плоскости Р. Просвечиваемый объект находится между этими двумя плоскостями. Очень легко убедиться, что в таком случае имеется лишь одна плоскость, параллельная к направлению движения обоих перемещений, которая дает проекцию, остающуюся неподвижной относительно перемещающейся пленки. Положение этой плоскости зависит от скорости источника и пленки. К примеру, если ставится задача, чтобы при перемещении рентгеновского источника на расстояние б-б' на пленке оставалась неподвижной проекция точки Ь, требуется одновременно обеспечить движение пленки на расстояние Г-Г. В этом случае точки 'о в плоскости В будет отображена на пленке резко, а точки а в плоскости А и с в плоскости С будут размытыми. На пленке зафиксируются также точки Ь и Ь", но в этом случае не будут существовать соответствующие точки в плоскостях А и С. Таким образом, отчетливо зафиксируется только структура в плоскости В. Структура в любой другой плоскости окажется размытой.

Рентгеновский источник

Главным недостатком метода томографии фокальной плоскости является наличие размытых изображений нежелательных плоскостей объекта, т. к. внутренние структуры на пленке накладываются друг на друга. Такая рентгенограмма представляет собой теневую проекцию исследуемого объекта, и подобно любому теневому изображению, она представляет собой двумерную проекцию трехмерной структуры.

Идеальным решением преодолеть недостатки томографии фокальной плоскости является отображение лишь одной выбранной плоскости без всяких помех в виде размытых элементов изображения, соответствующих другим плоскостям, которые должны быть полностью устранены.

Для реализации этого принципа необходимо при помощи коллиматора сформировать параллельные рентгеновские лучи только в нужной плоскости. Облучению подвергается лишь тонкая область объекта и рентгеновский детектор измеряет полное излучение вдоль этой тонкой области. После одного такого измерения, проведенного при воздействии одиночного рентгеновского импульса, источник и детектор совместно перемещаются на короткое расстояние и производится новое измерение. Соединение этой методики с ЭВМ произвело подлинную революцию в радиологии. Этот метод получил название реконструктивной (РТ) томографии. Данные об интенсивности рентгеновского излучения по полученным проекциям с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) вводятся в компьютер и ЭВМ реконструирует изображение. Для расчета изображения необходимо большое число проекций. Рис. 2 поясняет классическую томографическую методику. Для упрощения показаны только три проекционных направления. Измерения вдоль каждого направления представляют собой интегральные проекции каких-либо физических свойств, содержащие информацию о локальных значения распределения поля g(x,y) в измеряемом поперечном сечении.

Рис. 2. Схематичное изображение томографического принципа сканирования измеряемого объекта, основанного на проекционном методе.

Фм - интегральные измеренные проекции каких-либо физических свойств, содержащие информацию о локальных значения распределения поля §(х,у) в измеряемом поперечном сечении.

Математическая база для решения проблемы РТ была создана еще в 20-е годы австрийским математиком Иоганном Радоном. Он доказал, что любой двумерный объект можно однозначно восстановить по беско�