專利名稱：高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源、材料工程領(lǐng)域，具體涉及高溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，
背景技術(shù)：
高溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，可以對(duì)230°C以上的非透明液態(tài)金屬流動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，該方法最大測(cè)量溫度可達(dá)到800°C，最優(yōu)空間分辨率約
0.125mm，適用于對(duì)流動(dòng)邊界層的測(cè)量。由于是采用非侵入式測(cè)量方法，不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成干擾，可獲取精確實(shí)時(shí)的速度分布?，F(xiàn)行的速度測(cè)量方法，對(duì)于透明流體有激光多普勒測(cè)速儀，粒子圖像測(cè)速儀，紋影法測(cè)速，干涉法測(cè)速等。高溫液態(tài)金屬(如聚變堆液態(tài)金屬鋰鉛作為增殖劑和冷卻劑，四代裂變堆液態(tài)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(qiáng)磁場(chǎng))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(shì)探針法，光學(xué)探針法等由于結(jié)構(gòu)尺寸以及接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，使得它們?cè)诟邷囟葟?qiáng)磁場(chǎng)液態(tài)金屬流動(dòng)測(cè)量中受限。而且對(duì)于高溫液態(tài)金屬，還要考慮測(cè)量過程中設(shè)備要承受高溫腐蝕、化學(xué)腐蝕、雜質(zhì)沉積及浸潤(rùn)性等要求，因此很難通過改進(jìn)以上方法來對(duì)高溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下液態(tài)金屬邊界層速度分布進(jìn)行無干擾、高精度的測(cè)量。超聲波多普勒測(cè)速，最早追溯到30多年前醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。醫(yī)用B超的圖像顯示效果，使得人體內(nèi)聲阻特性不同的物質(zhì)得到顯示，因此，根據(jù)相似原理可以對(duì)非透明流體中被測(cè)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(yùn)動(dòng)信息，并以此來體現(xiàn)流體的速度情況。1970年脈沖多普勒理論最初是被Wells和Baker應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，測(cè)量人體血管中的速度情況。Takeda隨后將該方法拓展到了非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并開發(fā)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用來顯示一般流體流動(dòng)的速度剖面。該測(cè)量理論本身在流動(dòng)測(cè)量方面是非常有用的，經(jīng)歷了多年的實(shí)踐，被應(yīng)用于測(cè)量物理和工程中流體流動(dòng)的測(cè)量。近年來，Takeda(1995),Brito (2001)，Eckert (2002)，Alfonsi (2003)，Kikura (1999，2004)，Aidun (2005)應(yīng)用該方法進(jìn)行了流體流動(dòng)的測(cè)量研究。根據(jù)超聲波理論可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非透明流體預(yù)定深度的精確測(cè)速，從而凸顯出其優(yōu)于其它測(cè)量方法的特點(diǎn)。德國(guó)專利申請(qǐng)DE102007027391B3、DE102007027392B3,美國(guó)專利申US20100218608、US20100218617 國(guó)際專利申請(qǐng) TO2008152031A2，發(fā)明名稱ULTRASONICSENSOR FOR MEASURING FLOW RATES IN LIQUID MELTS,申請(qǐng)人Seven Eckert, GunterGerbeth, Thomas Gundrum,公開了一種適用于測(cè)量液態(tài)金屬速度的超聲波傳感器。該傳感器主要解決超聲波在進(jìn)入液態(tài)金屬的過程中能量衰減問題，使高溫介質(zhì)環(huán)境與產(chǎn)生超聲波的壓電材料以及相關(guān)電子元件相互遠(yuǎn)離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫液態(tài)金屬的測(cè)量。此類超聲波傳感器附有IOOmm 800mm的波導(dǎo)管，而為了減小磁場(chǎng)的衰減強(qiáng)磁場(chǎng)的磁極間距往往相對(duì)很小，在應(yīng)用中受到尺寸結(jié)構(gòu)的限制。同時(shí)，此類超聲傳感器發(fā)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(shí)現(xiàn)厚度非常小的高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層中速度分布的測(cè)量。瑞士信號(hào)處理公司(signal-processing),儀器名稱Ultrasonic DopplerVelocimetry，可以對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理、顯示、分析，同時(shí)配備各種頻率的探頭和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，使得分辨率可以在IO-1Him量級(jí)。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(shí)間可適用的最大溫度只能達(dá)到230°C，長(zhǎng)時(shí)間可適用的最大溫度為150。。。中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院建造的DRAG0N-IV液態(tài)鋰鉛回路是目前國(guó)際上獨(dú)有的多功能強(qiáng)迫對(duì)流鋰鉛實(shí)驗(yàn)回路，能夠同時(shí)提供多種復(fù)雜物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境(高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、高流速等)，且具有后續(xù)更新升級(jí)的潛力。其中MHD實(shí)驗(yàn)，磁場(chǎng)大小2±0. 3T，運(yùn)行溫度300-350°C，流速約lm/s，哈德曼數(shù)約103，雷諾數(shù)約104。如此高的哈德曼數(shù)意味著MHD流動(dòng)效應(yīng)引起的側(cè)邊界層厚度非常小，且雷諾數(shù)非常大，具有準(zhǔn)二維湍流特性，同時(shí)受測(cè)量空 間的影響，其它方法無法測(cè)量準(zhǔn)確的速度分布。本發(fā)明高溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法就是針DRAG0N-IV實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MHD (磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng))流動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)段而設(shè)立的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案，針對(duì)該實(shí)驗(yàn)段的邊界層進(jìn)行測(cè)量，從而認(rèn)識(shí)MHD流動(dòng)的本質(zhì)，對(duì)液態(tài)金屬M(fèi)HD流動(dòng)過程中提高傳熱或傳質(zhì)效果和降低MHD壓降具有重要作用。另外，由于液態(tài)金屬流動(dòng)對(duì)堆結(jié)構(gòu)材料(如聚變堆結(jié)構(gòu)低活化鋼)的腐蝕是影響堆服役壽命的關(guān)鍵因素之一，而液態(tài)金屬速度分布又是影響腐蝕率的重要因素，因此對(duì)液態(tài)金屬流動(dòng)速度分布的精確測(cè)量，是獲取液態(tài)金屬對(duì)結(jié)構(gòu)材料腐蝕率的重要保證。本發(fā)明前期已經(jīng)建設(shè)了液態(tài)鉛鉍熱對(duì)流回路，近期還將建設(shè)系列高溫液態(tài)鉛鉍強(qiáng)迫對(duì)流回路，用于演示加速器驅(qū)動(dòng)液態(tài)鉛鉍冷卻快中子嬗變堆技術(shù)，并作為綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取液態(tài)金屬鉛鉍對(duì)結(jié)構(gòu)材料腐蝕率、熱工水力學(xué)規(guī)律等，本發(fā)明對(duì)液態(tài)鉛鉍流動(dòng)速度及其分布進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，是設(shè)計(jì)與建造該反應(yīng)堆的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，基于超聲波多普勒效應(yīng)，通過研制超聲波傳感器，解決被測(cè)液態(tài)金屬的高溫問題等，發(fā)射IOMHz 50MHz的超聲波精確測(cè)量0 5mm深度范圍內(nèi)的流動(dòng)，得到高溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下液態(tài)金屬邊界層速度分布情況。本發(fā)明的技術(shù)解決方案高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下本發(fā)明以超聲多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的，高溫液態(tài)金屬中示蹤粒子隨流體流動(dòng)，發(fā)射的超聲波與示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)存在多普勒效應(yīng)，示蹤粒子的速度修正為v-^to其中，c是超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，V是高溫液態(tài)金屬中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度，fe是超聲波發(fā)射頻率，fD是頻移，9是多普勒角度。研制適用于高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的超聲波傳感器，所述超聲波傳感器包括壓電材料、聲波導(dǎo)管、前壁和冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)包括冷卻氣出口、保護(hù)腔、電子元件系統(tǒng)和冷卻氣入口 ；聲波導(dǎo)管是由長(zhǎng)度50-100mm的不銹鋼材料制成，上端位于保護(hù)腔內(nèi)與壓電材料連接，下端與前壁連接；用以減小超聲波在傳播過程中的能量損失。產(chǎn)生超聲波的壓電材料處于通冷卻氣體的保護(hù)腔中，用以發(fā)射和接收高頻超聲波。電子元件系統(tǒng)位于保護(hù)腔內(nèi)，連接壓電材料與外部處理系統(tǒng)(超聲多普勒測(cè)速儀)，在工作時(shí)負(fù)責(zé)觸發(fā)壓電材料產(chǎn)生超聲波，同時(shí)將攜帶流動(dòng)信息的電信號(hào)傳輸?shù)酵獠刻幚硐到y(tǒng)。超聲波傳感器的冷卻系統(tǒng)由冷卻氣入口、保護(hù)腔、冷卻氣出口以及相關(guān)的外部電氣設(shè)備組成。保護(hù)腔與聲波導(dǎo)管呈圓柱形。傳感器工作時(shí)，從位于保護(hù)腔壁上的冷卻氣入口 V通入低溫惰性氣體氦氣，帶走保護(hù)腔內(nèi)的熱量，并從位于保護(hù)腔對(duì)角方向壁面上的冷卻氣出口排出；同時(shí)，在形成強(qiáng)磁場(chǎng)的磁極周圍另設(shè)通風(fēng)冷卻，保證電子元件系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度穩(wěn)定在150°c以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)230°C 800°C高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布的測(cè)量。前壁位于傳感器最前端，工作時(shí)與被測(cè)液態(tài)金屬直接接觸；前壁是由與液態(tài)金屬浸潤(rùn)性較好的鎳基材料加工而成，用以降低超聲波在此處因反射和吸收而造成的能量損失。邊界層速度分布測(cè)量的具體測(cè)量步驟如下/
I)將超聲波傳感器的一端呈30-80°角傾斜安裝于有大于230°C的高溫液態(tài)金屬流經(jīng)的管道壁上并密封，所述有高溫液態(tài)金屬流經(jīng)的管道處于均勻強(qiáng)磁場(chǎng)( 2T)環(huán)境中。測(cè)量前啟動(dòng)超聲傳感器的冷卻設(shè)備。2)運(yùn)行高溫液態(tài)金屬回路設(shè)備，使液態(tài)金屬在管道中流動(dòng)起來。液態(tài)金屬流過均勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，超聲傳感器接收超聲多普勒測(cè)速儀的觸發(fā)信號(hào)并發(fā)射脈沖超聲波，所述脈沖超聲波在高溫液態(tài)金屬中傳播，遇到高溫液態(tài)金屬中的示蹤粒子(指的是高溫液態(tài)金屬氧化物雜質(zhì))發(fā)生反射或散射，超聲波傳感器接收到反射或散射帶有流動(dòng)速度信息的超聲波回聲信號(hào)，傳送到超聲波多普勒測(cè)速儀進(jìn)行處理分析；處理分析后獲得的初步高溫液態(tài)金屬速度分布圖像顯示于計(jì)算機(jī)(3)的顯示屏上。3)根據(jù)測(cè)得的初步結(jié)果，調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的初始多普勒角度、脈沖周期、回聲增益等參數(shù)，直到得到穩(wěn)定的高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布圖像。研制出的超聲傳感器產(chǎn)生超聲波的壓電材料采用Bi4Ti3O12等鉍基陶瓷結(jié)構(gòu)材料，發(fā)射10MHz-50MHz的高頻超聲波,對(duì)于最大流速lm/s的液態(tài)金屬流動(dòng)介質(zhì),最小可以測(cè)得深度5_以內(nèi)的速度分布情況。液態(tài)金屬在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下流動(dòng)將產(chǎn)生磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)(MHD)，液態(tài)金屬流動(dòng)側(cè)邊界層厚度不足1_，在高溫條件下可測(cè)得6-8個(gè)速度分布點(diǎn)，這對(duì)研究MHD效應(yīng)及其傳熱或傳質(zhì)具有重要作用，其中MHD效應(yīng)側(cè)邊界層厚度計(jì)算公式h = -^=x/h為側(cè)邊界層厚度，Ha為哈德曼數(shù)，I為平行于磁場(chǎng)的邊界長(zhǎng)度。研制的超聲波傳感器后端設(shè)通有惰性冷卻氣體氦氣的保護(hù)腔。惰性氣體從圓柱型保護(hù)腔一側(cè)下部充入，流經(jīng)腔室將熱量帶走，從保護(hù)腔對(duì)稱側(cè)的上部流出。根據(jù)介質(zhì)溫度高低，調(diào)節(jié)惰性氣體的流動(dòng)速度，保持保護(hù)腔內(nèi)溫度穩(wěn)定在150°C以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)230°C -800°C高溫液態(tài)金屬的測(cè)量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(I)本發(fā)明采用頻率為IOMHz 50MHz的超聲波進(jìn)行測(cè)量，可獲得精度約0. 125mm的空間分辨率，適用于MHD流動(dòng)厚度小于Imm的側(cè)邊界層測(cè)量中獲得6_8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。(2)本發(fā)明所采用自主研制的超聲波傳感器，在前端設(shè)長(zhǎng)度50 IOOmm的由不銹鋼材料制成的聲波導(dǎo)管，其尺寸結(jié)構(gòu)適用于在狹窄區(qū)間的磁場(chǎng)區(qū)間安裝。產(chǎn)生超聲波的壓電材料采用居里溫度點(diǎn)較高Bi4Ti3O12等鉍基陶瓷結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)超聲波傳感器后端設(shè)通有惰性冷卻氣體氦氣的冷卻裝置，解決了測(cè)量中存在的高溫限制。


圖I為本發(fā)明中附有波導(dǎo)管的超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明高 溫液態(tài)金屬流動(dòng)速度及邊界層測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中超聲多普勒測(cè)速儀專用軟件的數(shù)據(jù)處理過程示意圖；圖4為本發(fā)明中強(qiáng)迫對(duì)流多功能鋰鉛實(shí)驗(yàn)回路DRAGON- IV中MHD實(shí)驗(yàn)段圖5為本發(fā)明中高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布的圖像。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述方法的實(shí)現(xiàn)是以自主研制的超聲傳感器為基本工具的。如圖I所示，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)為包括壓電材料iv、聲波導(dǎo)管vi、前壁vn和冷卻系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)包括冷卻氣出口 I、保護(hù)腔II、電子元件系統(tǒng)III和冷卻氣入口 V ;聲波導(dǎo)管VI上端位于保護(hù)腔Ii內(nèi)并與壓電材料iv連接，聲波導(dǎo)管vi下端與前壁vn連接，用以減小超聲波在傳播過程中的能量損失；產(chǎn)生超聲波的壓電材料IV處于通冷卻氣體的保護(hù)腔II中，用以發(fā)射和接收高頻超聲波；電子元件系統(tǒng)III位于保護(hù)腔II內(nèi)，連接壓電材料IV與外部的超聲多普勒測(cè)速儀2，負(fù)責(zé)觸發(fā)壓電材料IV產(chǎn)生超聲波，同時(shí)將攜帶流動(dòng)信息的電信號(hào)傳輸?shù)匠暥嗥绽諟y(cè)速儀2 ;工作時(shí)，從位于保護(hù)腔II壁上的冷卻氣入口 V通入低溫惰性氣體氦氣，帶走保護(hù)腔II內(nèi)的熱量，并從位于保護(hù)腔Ii對(duì)角方向壁面上的冷卻氣出口 I排出，同時(shí)在形成強(qiáng)磁場(chǎng)的磁極周圍另設(shè)通風(fēng)冷卻，保證電子元件系統(tǒng)III工作環(huán)境的溫度穩(wěn)定在150°C以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)230oC -800°c高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布的測(cè)量；前壁vn位于超聲波傳感器I最前端，工作時(shí)與被測(cè)液態(tài)金屬直接接觸，用以降低超聲波在此處因反射和吸收而造成的能量損失。在圖I中的聲波導(dǎo)管VI長(zhǎng)度可在50mm-100mm之間，壓電材料IV選用高居里溫度點(diǎn)材料Bi4Ti3O12等鉍基陶瓷結(jié)構(gòu)材料，發(fā)射10MHz-50MHz的高頻超聲波，對(duì)于最大流速lm/s的液態(tài)金屬流動(dòng)介質(zhì)，最小可以測(cè)得深度5_以內(nèi)的速度分布情況；前壁vn是鎳或其它浸潤(rùn)性較好的材料加工而成的；保護(hù)腔II與聲波導(dǎo)管VI呈圓柱形，聲波導(dǎo)VI外徑為20mm，材料為SS316L不銹鋼。如圖2所示，高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量系統(tǒng)包括超聲波傳感器I、超聲多普勒測(cè)速儀2、計(jì)算機(jī)3。超聲多普勒測(cè)速儀2通過附有波導(dǎo)管的超聲波傳感器I發(fā)射超聲波信號(hào)并接收帶有速度信息的超聲波回聲信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)3及專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到速度分布。其數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示主振蕩器產(chǎn)生脈沖超聲波，經(jīng)過發(fā)射功率放大器放大，通過波導(dǎo)管傳播到被測(cè)介質(zhì)中。脈沖超聲波與被測(cè)介質(zhì)中示蹤粒子發(fā)生反射或散射，被反射或散射回的脈沖超聲波回聲帶有流動(dòng)速度信息，將該回聲模擬信號(hào)通過接收功率器放大后與主振蕩器產(chǎn)生的原始脈沖超聲波進(jìn)行同步解調(diào)，經(jīng)過低通濾波器濾波之后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的信號(hào)再由高通濾波器對(duì)其進(jìn)行高通濾波，對(duì)此結(jié)果與低通濾波后的信號(hào)進(jìn)行多普勒頻偏估計(jì)，從而得到速度場(chǎng)分布信息。其中4是強(qiáng)磁場(chǎng)磁體與實(shí)驗(yàn)段管道的截面圖，如圖4所示。圖中，5是指有液態(tài)金屬流經(jīng)的管道。圖4所示，MHD實(shí)驗(yàn)段管道為內(nèi)徑50mm的方管，進(jìn)出口兩端為內(nèi)徑32mm的圓管。主回路管道和MHD實(shí)驗(yàn)管道之間連接的是流體充分發(fā)展的準(zhǔn)直段。液態(tài)金屬?gòu)闹鞴艿肋^渡到MHD實(shí)驗(yàn)段時(shí)首先經(jīng)過直流器A，然后流體會(huì)經(jīng)過長(zhǎng)約500mm的管道B，流體流進(jìn)強(qiáng)磁場(chǎng)作用區(qū)域C，之后流入緩沖流道D，最終流出MHD實(shí)驗(yàn)段。磁體間距80mm，考慮到波導(dǎo)管和磁極間距，測(cè)量點(diǎn)選擇在管壁的側(cè)面(側(cè)邊界層)，測(cè)量側(cè)邊界層流動(dòng)分布。如圖2所示，將超聲波傳感器I的一端呈30-80°角(圖2中的a )傾斜安裝于高
溫液態(tài)金屬管道壁上并密封，高溫液態(tài)金屬管道處于均勻強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，磁場(chǎng)強(qiáng)度S。測(cè)量前，啟動(dòng)超聲傳感器I的冷卻系統(tǒng)。運(yùn)行高溫液態(tài)金屬回路設(shè)備，液態(tài)金屬流過均勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，超聲傳感器I接收超聲多普勒測(cè)速儀2的觸發(fā)信號(hào)并發(fā)射脈沖超聲波，所述脈沖超聲波在高溫液態(tài)金屬傳播，遇到高溫液態(tài)金屬中的示蹤粒子(指的是高溫液態(tài)金屬氧化物 雜質(zhì))發(fā)生反射或散射，超聲波傳感器I接收到反射或散射帶有流動(dòng)速度信息的超聲波回聲信號(hào)，傳送到超聲波多普勒測(cè)速儀2進(jìn)行處理分析；并將處理分析后獲得的初步高溫液態(tài)金屬流動(dòng)速度分布圖像顯示于計(jì)算機(jī)3顯示屏上。根據(jù)測(cè)得的初步結(jié)果，調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)3中存儲(chǔ)的初始多普勒角度、脈沖周期、回聲增益等參數(shù)，直到得到穩(wěn)定的高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布圖像。通過本發(fā)明所述的基本步驟完成了對(duì)高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用瑞士信號(hào)處理公司提供的超聲波多普勒測(cè)速儀所屬專用軟件，獲得的速度分布以圖片形式記錄在計(jì)算機(jī)硬盤中。其中，高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布的圖像如圖5所示。在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下出現(xiàn)磁流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)(MHD)，在小于Imm的邊界層內(nèi)速度分布變化非常大，亦即在邊界層內(nèi)產(chǎn)生射流，流速分布圖像成M型。
權(quán)利要求
1.高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下 (1)研制適用于高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的超聲波傳感器(I);所述超聲波傳感器(I)包括壓電材料(iv)、聲波導(dǎo)管(vi)、前壁(vn)和冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)包括冷卻氣出口( I )、保護(hù)腔(II )、電子元件系統(tǒng)(III)和冷卻氣入口( V );聲波導(dǎo)管(VI)上端位于保護(hù)腔(Ii)內(nèi)并與壓電材料(iv)連接，聲波導(dǎo)管(vi)下端與前壁(vn)連接，用以減小超聲波在傳播過程中的能量損失；產(chǎn)生超聲波的壓電材料(iv)處于通冷卻氣體的保護(hù)腔(II)中，用以發(fā)射和接收高頻超聲波；電子元件系統(tǒng)(in)位于保護(hù)腔(Ii)內(nèi)，連接壓電材料(IV )與外部的超聲多普勒測(cè)速儀(2)，負(fù)責(zé)觸發(fā)壓電材料(IV )產(chǎn)生超聲波，同時(shí)將攜帶流動(dòng)信息的電信號(hào)傳輸?shù)匠暥嗥绽諟y(cè)速儀(2);工作時(shí)，從位于保護(hù)腔(II )壁上的冷卻氣入口( V )通入低溫惰性氣體氦氣，帶走保護(hù)腔(II )內(nèi)的熱量，并從位于保護(hù)腔(II )對(duì)角方向壁面上的冷卻氣出口( I)排出，同時(shí)在形成強(qiáng)磁場(chǎng)的磁極周圍另設(shè)通風(fēng)冷卻，保 證電子元件系統(tǒng)(III)工作環(huán)境的溫度穩(wěn)定在150°C以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)230°C -800°c高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布的測(cè)量；前壁(vn)位于超聲波傳感器(I)最前端，工作時(shí)與被測(cè)液態(tài)金屬直接接觸，用以降低超聲波在此處因反射和吸收而造成的能量損失； (2)將適用于高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的超聲波傳感器(I)的一端呈30-80°角傾斜安裝于高溫液態(tài)金屬流經(jīng)的管道(5)壁上并密封，所述有高溫液態(tài)金屬流經(jīng)的管道(5)處于均勻強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，測(cè)量前啟動(dòng)超聲傳感器(I)的冷卻系統(tǒng)； (3)運(yùn)行高溫液態(tài)金屬回路設(shè)備，使液態(tài)金屬在管道中流動(dòng)起來，液態(tài)金屬流過均勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，適用于高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的超聲傳感器(I)接收超聲多普勒測(cè)速儀(2)的觸發(fā)信號(hào)并發(fā)射脈沖超聲波；所述脈沖超聲波在高溫液態(tài)金屬中傳播，遇到高溫液態(tài)金屬中的示蹤粒子即指高溫液態(tài)金屬氧化物雜質(zhì)，發(fā)生反射或散射，適用于高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的超聲波傳感器(I)接收到反射或散射帶有速度信息的超聲波回聲信號(hào)，傳送到超聲波多普勒測(cè)速儀(2)進(jìn)行處理分析，處理分析后獲得的初步高溫液態(tài)金屬速度分布圖像顯示于計(jì)算機(jī)(3)的顯示屏上； (4)根據(jù)測(cè)得的初步結(jié)果，調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)(3)中存儲(chǔ)的初始多普勒角度、脈沖周期、回聲增益參數(shù)，直到得到穩(wěn)定的高溫液態(tài)金屬流動(dòng)邊界層速度分布圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，其特征在于所述聲波導(dǎo)管(W )由長(zhǎng)度50-100mm的不銹鋼材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，其特征在于所述壓電材料(IV )采用Bi4Ti3O12鉍基陶瓷結(jié)構(gòu)材料，發(fā)射10MHz-50MHz的高頻超聲波，對(duì)于最大流速lm/s的液態(tài)金屬流動(dòng)介質(zhì),最小可以測(cè)得深度5_以內(nèi)的速度分布情況。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，其特征在于所述保護(hù)腔(II )與聲波導(dǎo)管(W )呈圓柱形。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，其特征在于所述前壁(vn)由鎳基材料加工而成。
全文摘要
高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度分布的測(cè)量方法，所采用的設(shè)備包括自主研制的超聲波傳感器(1)前端為50～100mm聲波導(dǎo)管，后端為通惰性冷卻氣體的保護(hù)腔，以Bi4Ti3O12等鉍基陶瓷結(jié)構(gòu)材料為產(chǎn)生超聲波的壓電材料，發(fā)射10MHz～50MHz的高頻超聲波。方法具體如下超聲波傳感器(1)安裝在處于均勻強(qiáng)磁場(chǎng)條件下的管道上，發(fā)射和接收脈沖超聲波；基于超聲多普勒效應(yīng)，超聲波多普勒測(cè)速儀(2)對(duì)帶有流動(dòng)速度信息的超聲波回聲信號(hào)進(jìn)行處理分析后得到邊界層速度分布并顯示于計(jì)算機(jī)(3)。本發(fā)明適用于高溫強(qiáng)磁場(chǎng)下液態(tài)金屬邊界層速度場(chǎng)分布的測(cè)量，對(duì)研究液態(tài)金屬磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)過程中傳熱或傳質(zhì)效果和壓降分布具有重要作用。
文檔編號(hào)G01P5/24GK102654513SQ20121009090
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者汪衛(wèi)華, 陳紅麗, 鮑國(guó)剛, 黃群英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院