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铅铋两相流超声波层析成像系统结构分析与评价

刘纲阳 周文雄 黄润之 潘良明 李康 谭煦滨

刘纲阳, 周文雄, 黄润之, 潘良明, 李康, 谭煦滨. 铅铋两相流超声波层析成像系统结构分析与评价[J]. 核动力工程, 2025, 46(3): 288-294. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050025
引用本文: 刘纲阳, 周文雄, 黄润之, 潘良明, 李康, 谭煦滨. 铅铋两相流超声波层析成像系统结构分析与评价[J]. 核动力工程, 2025, 46(3): 288-294. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050025
Liu Gangyang, Zhou Wenxiong, Huang Runzhi, Pan Liangming, Li Kang, Tan Xubin. Structure Analysis and Evaluation of the Ultrasonic Tomography System for Lead-Bismuth Two-Phase Flow[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(3): 288-294. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050025
Citation: Liu Gangyang, Zhou Wenxiong, Huang Runzhi, Pan Liangming, Li Kang, Tan Xubin. Structure Analysis and Evaluation of the Ultrasonic Tomography System for Lead-Bismuth Two-Phase Flow[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(3): 288-294. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050025

铅铋两相流超声波层析成像系统结构分析与评价

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.050025
基金项目: 国家自然科学基金(U22B2090)
详细信息
    作者简介:

    刘纲阳(1999—),男,硕士研究生,现主要从事两相流测量技术研究,E-mail: 202210021029@stu.cqu.edu.cn

    通讯作者:

    周文雄,E-mail: zhouwenxiong@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Structure Analysis and Evaluation of the Ultrasonic Tomography System for Lead-Bismuth Two-Phase Flow

  • 摘要: 铅铋快堆蒸汽发生器传热管破裂(SGTR)事故后,堆芯会出现液态铅铋气-液两相流动现象。超声波层析成像两相流探测方法具有抗干扰性强等优点,而高温会使常规超声波传感器失效,因此,提出了一种基于波导杆的双模态超声波层析成像系统。波导杆结构可避免传感器与高温流体直接接触,使用反射与透射方法对两相分布进行重构,并结合数值模拟方法,最终确定4 MHz声波频率、58 mm长的波导杆和24超声波阵列传感器的超声波层析成像系统。研究不同气相分布的成像效果表明,较气-水两相流而言,超声波层析成像系统在液态铅铋两相流中更具优势。该系统能有效重构液态铅铋气-液两相分布,均方误差均在6%以内,最小图像相关系数大于85%。

     

  • 图  1  不锈钢圆管波导杆传感器结构图

    Figure  1.  Stainless Steel Round Tube Waveguide Rod Sensor Structure

    图  2  铅铋气-液两相流仿真模型

    TX1~TX24—1~24号波导管。

    Figure  2.  Simulation Model of Lead-Bismuth Gas-Liquid Two-Phase Flow

    图  3  最小可测量气泡当量直径随声波频率的变化

    Figure  3.  Minimum Measured Equivalent Bubble Diameter as a Function of Frequency

    图  4  最小可测量气泡当量直径随传感器数量的变化

    Figure  4.  Minimum Measured Equivalent Bubble Diameter as a Function of Detector Number

    图  5  超声波衰减幅度随波导杆长度变化

    Figure  5.  Ultrasonic Attenuation Varies with Waveguide Length

    图  6  不同介质信号衰减随气泡当量直径的变化

    Figure  6.  Signal Attenuation in Different Media as a Function of Equivalent Bubble Diameter

    图  7  不同当量直径的中心气泡重构图像

    Figure  7.  Reconstruction Images of Central Bubbles with Different Equivalent Diameters

    图  8  偏移气泡与多气泡重构图像

    Figure  8.  Reconstruction Images of Migrated Bubbles and Multi-bubbles

    表  1  不同材料透射与反射比

    Table  1.   Transmission and Reflection Ratio of Different Materials

    两相介质Z1/(Pa·s·m−1)Z2/(Pa·s·m−1)D/%R/%
    油-氮气0.960.26678.0521.95
    水-氮气1.500.26699.960.04
    铅铋-氮气17.650.26699.990.01
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    表  2  仿真参数设置

    Table  2.   Simulation Parameter Setting

    材料c/(m·s−1ρ/(kg·m−3Z/(Pa·s·m−1
    氮气3800.00070.266
    150011.50
    316不锈钢59007.8946.55
    铅铋合金17651017.65
    下载: 导出CSV

    表  3  重构图像的均方误差和相关系数

    Table  3.   Mean Square Error and Correlation Coefficient of Reconstruction Images

    气泡形状MSE/%CC/%
    a=4 mm中心气泡0.105195.57
    a=6 mm中心气泡0.065199.86
    a=8 mm中心气泡0.019299.94
    a=10 mm中心气泡0.038298.63
    偏移10 mm气泡0.382499.41
    偏移20 mm气泡0.532199.10
    2个a=6 mm气泡2.18395.39
    3个a=6 mm气泡5.8288.88
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-06
  • 修回日期:  2024-06-04
  • 网络出版日期:  2025-06-09
  • 刊出日期:  2025-06-09

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