[發明專利]高溫強磁場下液態金屬邊界層速度分布的測量方法

有效

• 申請號: 201210090901.5
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102654513A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 汪衛華;鮑國剛;陳紅麗;黃群英
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術領域

本發明屬于能源、材料工程領域，具體涉及高溫強磁場條件下液態金屬邊界層速度分布的測量方法，?

背景技術

高溫強磁場條件下液態金屬邊界層速度分布的測量方法，可以對230℃以上的非透明液態金屬流動速度進行測量，該方法最大測量溫度可達到800℃，最優空間分辨率約0.125mm，適用于對流動邊界層的測量。由于是采用非侵入式測量方法，不會對流場造成干擾，可獲取精確實時的速度分布。?

現行的速度測量方法，對于透明流體有：激光多普勒測速儀，粒子圖像測速儀，紋影法測速，干涉法測速等。高溫液態金屬(如聚變堆液態金屬鋰鉛作為增殖劑和冷卻劑，四代裂變堆液態鉛鉍、鈉等作為冷卻劑)是非透明流體，且特定條件(如聚變堆強磁場)的限制，采用以上方法顯然是不可行的。而常用的熱線/熱膜法，電勢探針法，光學探針法等由于結構尺寸以及接觸式測量的特點，使得它們在高溫度強磁場液態金屬流動測量中受限。而且對于高溫液態金屬，還要考慮測量過程中設備要承受高溫腐蝕、化學腐蝕、雜質沉積及浸潤性等要求，因此很難通過改進以上方法來對高溫強磁場條件下液態金屬邊界層速度分布進行無干擾、高精度的測量。?

超聲波多普勒測速，最早追溯到30多年前醫學上的應用。醫用B超的圖像顯示效果，使得人體內聲阻特性不同的物質得到顯示，因此，根據相似原理可以對非透明流體中被測流體與示蹤粒子之間聲阻特性的不同來得到示蹤粒子的運動信息，并以此來體現流體的速度情況。1970年脈沖多普勒理論最初是被Wells和Baker應用到醫學領域，測量人體血管中的速度情況。Takeda隨后將該方法拓展到了非醫學領域，并開發了一套監測系統用來顯示一般流體流動的速度剖面。該測量理論本身在流動測量方面是非常有用的，經歷了多年的實踐，被應用于測量物理和工程中流體流動的測量。近年來，Takeda(1995)，Brito(2001)，Eckert(2002)，Alfonsi(2003)，Kikura(1999，2004)，Aidun(2005)應用該方法進行了流體流動的測量研究。根據超聲波理論可以實現對非透明流體預定深度的精確測速，從而凸顯出其優于其它測量方法的特點。?

德國專利申請DE102007027391B3、DE102007027392B3，美國專利申US20100218608、US20100218617國際專利申請WO2008152031A2，發明名稱：ULTRASONIC?SENSOR?FOR?MEASURING?FLOW?RATES?IN?LIQUID?MELTS，申請人：Seven?Eckert，Gunter?Gerbeth，Thomas?Gundrum，公開了一種適用于測量液態金屬速度的超聲波傳感器。該傳感器主要解決超聲波在進入液態金屬的過程中能量衰減問題，使高溫介質環境與產生超聲波的壓電材料以及相關電子元件相互遠離，從而實現對高溫液態金屬的測量。此類超聲波傳感器附有100mm～800mm的波導管，而為了減小磁場的衰減強磁場的磁極間距往往相對很小，在應用中受到尺寸結構的限制。同時，此類超聲傳感器發射的超聲波頻率有限，很難得到更高的空間分辨率，從而不能實現厚度非常小的高溫液態金屬流動邊界層中速度分布的測量。?

瑞士信號處理公司(signal-processing)，儀器名稱：Ultrasonic?Doppler?Velocimetry，可以對采集到的信號進行處理、顯示、分析，同時配備各種頻率的探頭和數據分析系統，使得分辨率可以在10^-1mm量級。但是這些探頭都是普通的壓電傳感器，受到高溫，腐蝕等限制，短時間可適用的最大溫度只能達到230℃，長時間可適用的最大溫度為150℃。?

中科院合肥物質科學研究院建造的DRAGON-IV液態鋰鉛回路是目前國際上獨有的多功能強迫對流鋰鉛實驗回路，能夠同時提供多種復雜物理場實驗環境(高溫、強磁場、高流速等)，且具有后續更新升級的潛力。其中MHD實驗，磁場大小2±0.3T，運行溫度300-350℃，流速約1m/s，哈德曼數約10³，雷諾數約10⁴。如此高的哈德曼數意味著MHD流動效應引起的側邊界層厚度非常小，且雷諾數非常大，具有準二維湍流特性，同時受測量空間的影響，其它方法無法測量準確的速度分布。?