本发明涉及应对核电厂破口事故应急，具体涉及一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统及方法。
背景技术：
1、因为核电厂在发生事故停堆后强迫循环失效，要求核电厂仍能保持一定的自然循环能力，所以核反应堆、乏燃料水池和发电机与定子冷却水箱等水箱位置位于厂内高位，且电厂中存在大量流体管道和各种水箱，导致核电厂广泛存在着虹吸管线和虹吸现象。
2、当发生虹吸现象时，核反应堆水池冷却剂将被迅速带走，池内余热无法及时循环带走，可能将造成重大安全事故，核电厂工程实际中经常直接在对应主管道上采用设置虹吸破坏孔或虹吸破坏阀的方法，在发生虹吸现象导致液位下降时引入空气从而实现破坏虹吸的效果，阻碍水池内水继续流出。
3、目前，虹吸破坏孔开设的尺寸都是根据已有的验证试验，而验证试验往往普遍在于小尺寸管道，大尺寸的虹吸破坏验证试验及机理试验数据仍然缺乏。
4、为保证核反应堆水池水位高于堆芯，所有核反应堆相连的管道应该布置在水池上方进入，但是部分研究堆和特殊管道可能布置在核反应堆水池下方，所以需要设置专门的虹吸破坏管道，同时专门的虹吸破坏管道可以避免对于主管道开孔成本，减少对于主管道损害。
5、虹吸破坏是瞬态的两相湍流搅浑融合现象，目前没有合适的经验关系式来描述这一现象，且根据已有的模化分析，虹吸破坏试验不适宜做缩比试验，因此开发一种可灵活进行工程等比例虹吸破坏试验的装置及方法具有现实意义。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统及方法，可用于试验研究核电厂loca事故下应急虹吸破坏的特性机理。
2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，用于试验研究核电厂loca事故下应急虹吸破坏的特性机理，该系统包括上部水箱1、下部水箱23、虹吸破坏管道8、试验主管道17、补水管道31、排水管道26、数据采集及控制系统9；所述下部水箱23向上部水箱1提供水，上部水箱1和下部水箱23通过补水管道31和排水管道26连通，补水管道31和排水管道26上设置阀门，补水管道31上设置离心泵；上部水箱1上开设可视化窗口a4，上部水箱1侧面布置摄像机a5和绝压传感器a6，上部水箱1连接试验主管道17进口处布置有多级多孔组件3以模拟堆芯压降；所述试验主管道17上依次设置超声波流量计14、可视化窗口b13和可视化窗口c15、节流孔板19和电动调节阀a20，电动调节阀a20出口的管道分两路连通下部水箱23，两路管道上分别设置电动蝶阀a21，电动蝶阀b22；可视化窗口b13和可视化窗口c15旁边分别设置摄像机b11和摄像机c12，绝压传感器b10安装于可视化窗口b13上端处，测量虹吸破坏发生时的负压；差压传感器b16安装于节流试验主管道17下降段两侧，一端连接在可视化窗口c15入口，另一端连接在电动调节阀a20出口，测量试验主管道17下降段总的压降；差压传感器a18安装于节流孔板19两端，测量节流孔板19压降效果；所述虹吸破坏管道8一端端插入到上部水箱1内部液面以下，另一端通过法兰与可视化窗口b13的中间段连接，虹吸破坏管道8根据试验要求在中间段通过法兰安装虹吸破坏阀7，或者左侧没入上部水箱1液面的下端开孔加工虹吸破坏孔32，当上部水箱1液面下降至虹吸破坏孔32时，将吸入空气到虹吸破坏管道8，进一步进入到试验主管道17；所述的数据采集及控制系统9连接记录所有的电动调节阀、传感器和摄像机，实验过程中所有数据实时增量同步；试验过程中首先在虹吸破坏管道8和试验主管道17中建立虹吸稳定流动，同时通过补水管道31向上部水箱1补水以达到试验主管道目标水流量，进一步快速开启电动蝶阀21来模拟试验主管道破口泄露，上部水箱1液位下降将使得虹吸破坏管道8引入空气，空气随着虹吸破坏管道8进入试验主管道17，试验主管道17中空气份额增加将阻碍试验主管道正常流动，直至虹吸流动停止；实验过程中的空气搅浑，气泡融合现象由摄像机a5、摄像机b11和摄像机c12记录，水位下降信息、试验主管道压力损失变化测试值由数据采集及控制系统9保存。
4、还包括不锈钢台架，不锈钢台架主体由不锈钢钢管构成，整体由三角形支撑结构，不锈钢台架下部有部分嵌入到水泥地基，保证整个不锈钢台架的稳定性；所述不锈钢台架共有三层，第三层放置上部水箱1及摄像机a5、摄像机b11和摄像机c12，第二层布置节流孔板19、所有传感器和电动调节阀，第一层布置有数据采集及控制系统9、下部水箱23和离心泵28；所述不锈钢台架能在第三层更换虹吸破坏管道8，第二层调整节流孔板19；所述不锈钢台架两侧有楼梯及防护栏杆；所述不锈钢台架置有多处正方形不锈钢支撑结构，以支撑u形及倒u形管道；所述不锈钢台架高度13m，最大瞬时流量40kg/s。
5、所述的上部水箱1材料为不锈钢，所述上部水箱1的外部能保证在试验工况下可自然流动规定时间；所述上部水箱1内部布置有溢水挡板，可对于水箱容积进行调整；，开设可视化窗口a4和布置摄像机a5以记录实验主管道水入流情况，检查是否有气泡直接进入试验主管道17；所述上部水箱1底部布置有绝压传感器a6以标定上部水箱1的水位高度；所述上部水箱1内部溶液为去离子水，去离子水由离心泵28从下部水箱23通过补水管道31补充，多余水由球阀a23和球阀b24通过排水管道26排出进入下部水箱23；所述上部水箱1内添置加热棒，保证试验装置进行常温试验，或者进行低温试验。
6、所述的虹吸破坏管道8材料为不锈钢，且可以根据不同工况更换管道，所述虹吸破坏管道8是倒“u”形状；所述的虹吸破坏阀7种类具有多样性，更换不同虹吸破坏阀7种类以验证其不同的可靠性；虹吸破坏阀7采用非能动式的气压式阀门，当虹吸破坏管道8出现由于虹吸产生的负压时虹吸破坏阀7能够自启动；或虹吸破坏阀7采用先导电磁阀控制的气动隔膜阀，将其与泵联锁，当泵停运式自动联锁打开虹吸破坏阀7。
7、所述的试验主管道17材料是不锈钢，所述的试验主管道17规格是dn600；所述的试验主管道17倒u形管道部分根据虹吸机理可分为上升段、水平段和下降段。
8、所述的补水管道31上依次设置还有电动调节阀30过滤器29和离心泵28，补水管道31是在离心泵28的作用下为上部水箱1输运去离子水，电动调节阀b27与离心泵28旁路连接，配合离心泵28提供管道压力输水，电动调节阀30设置补水管道31总流量，过滤器29为上部水箱1的水提供过滤。
9、所述的排水管道26为两个，分别由球阀a24和球阀b25打开后在重力作用下直接排放上部水箱1的水到下部水箱23。
10、所述的可视化窗口a4、可视化窗口b13和可视化窗口c15材料均是亚克力板；所述的可视化窗口a4通过强力丙烯酸胶与开口后的上部水箱1粘结；所述的可视化窗口b13通过法兰与虹吸破坏管道8和试验主管道17连接；所述的可视化窗口c15通过法兰与试验主管道17连接。
11、所述节流孔板19用于模拟试验主管道17的压降，不同工况可以调整孔板开孔实现不同压降；
12、所述电动蝶阀21模拟核电厂破口事故，当流量满足试验工况后，在0.2s时间内快速启动；
13、所述电动蝶阀a21模拟破口事故泄露时的破口，最快满开时间4s。
14、所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统的工作方法，在所有阀门保证关闭和所有测试仪器正常工作的情况下，调整多级多孔组件3和节流孔板19达到工况要求；首先由外置的去离子水机向下部水箱23供满水，打开电动调节阀b27和电动调节阀c30，打开离心泵28向上部水箱1供水；待上部水箱1水位到达一定程度，打开电动调节阀a20和电动蝶阀22，使得虹吸破坏管道8和试验主管道17内充满水；通过超声波流量计14测量的流量数据观察试验主管道17流量是否满足工况破口要求，调整电动调节阀b27和电动调节阀c30的开度以控制上部水箱1内的水位以控制流量；确保各处摄像机图像摄影正常，打开电动蝶阀21模拟破口事故，记录各处传感器数据；预设时间后由于虹吸破坏管道8引入空气导致试验主管道17断流，说明虹吸破坏成功，进一步的观察上部水箱1液位下降高度来判断虹吸效果。
15、和现有技术相比较，本发明至少具有以下有益的技术效果：
16、一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统及方法，和现有技术相比，本发明具有以下创新性：
17、(1)本发明试验主管道17是目前虹吸破坏试验中所缺乏的规格，符合目前大尺寸大功率核电厂的工程实际需要。
18、(2)本发明虹吸破坏管道8和可视化窗口13是可更换的，便于为虹吸破坏阀7或虹吸破坏孔32等各种类型虹吸破坏装置提供试验条件，并且加以测量观察。
19、(3)本发明设置有多级多空组件3和节流孔板19，可分别模拟堆芯和主管道不同阻力对于虹吸破坏的影响，丰富试验验证工况。
20、(4)本发明设置有三处可视化窗口和对应摄像机，在虹吸破坏工程验证的同时，为空气和水两相搅浑机理研究提供了图像依据。
21、(5)本发明所有传感器数据及摄像机图像是时间同步的，为虹吸破坏的全时间机理提供全流程有效的时间跨度分析。
1.一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：用于试验研究核电厂loca事故下应急虹吸破坏的特性机理，该系统包括上部水箱(1)、下部水箱(23)、虹吸破坏管道(8)、试验主管道(17)、补水管道(31)、排水管道(26)、数据采集及控制系统(9)；所述下部水箱(23)向上部水箱(1)提供水，上部水箱(1)和下部水箱(23)通过补水管道(31)和排水管道(26)连通，补水管道(31)和排水管道(26)上设置阀门，补水管道(31)上设置离心泵；上部水箱(1)上开设可视化窗口a(4)，上部水箱(1)侧面布置摄像机a(5)和绝压传感器a(6)，上部水箱(1)连接试验主管道(17)进口处布置有多级多孔组件(3)以模拟堆芯压降；所述试验主管道(17)上依次设置超声波流量计(14)、可视化窗口b(13)和可视化窗口c(15)、节流孔板(19)和电动调节阀a(20)，电动调节阀a(20)出口的管道分两路连通下部水箱(23)，两路管道上分别设置电动蝶阀a(21)，电动蝶阀b(22)；可视化窗口b(13)和可视化窗口c(15)旁边分别设置摄像机b(11)和摄像机c(12)，绝压传感器b(10)安装于可视化窗口b(13)上端处，测量虹吸破坏发生时的负压；差压传感器b(16)安装于节流试验主管道(17)下降段两侧，一端连接在可视化窗口c(15)入口，另一端连接在电动调节阀a(20)出口，测量试验主管道(17)下降段总的压降；差压传感器a(18)安装于节流孔板(19)两端，测量节流孔板(19)压降效果；所述虹吸破坏管道(8)一端端插入到上部水箱(1)内部液面以下，另一端通过法兰与可视化窗口b(13)的中间段连接，虹吸破坏管道(8)根据试验要求在中间段通过法兰安装虹吸破坏阀(7)，或者左侧没入上部水箱(1)液面的下端开孔加工虹吸破坏孔(32)，当上部水箱(1)液面下降至虹吸破坏孔(32)时，将吸入空气到虹吸破坏管道(8)，进一步进入到试验主管道(17)；所述的数据采集及控制系统(9)连接记录所有的电动调节阀、传感器和摄像机，实验过程中所有数据实时增量同步；试验过程中首先在虹吸破坏管道(8)和试验主管道(17)中建立虹吸稳定流动，同时通过补水管道(31)向上部水箱(1)补水以达到试验主管道目标水流量，进一步快速开启电动蝶阀(21)来模拟试验主管道破口泄露，上部水箱(1)液位下降将使得虹吸破坏管道(8)引入空气，空气随着虹吸破坏管道(8)进入试验主管道(17)，试验主管道(17)中空气份额增加将阻碍试验主管道正常流动，直至虹吸流动停止；实验过程中的空气搅浑，气泡融合现象由摄像机a(5)、摄像机b(11)和摄像机c(12)记录，水位下降信息、试验主管道压力损失变化测试值由数据采集及控制系统(9)保存。
2.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：还包括不锈钢台架，不锈钢台架主体由不锈钢钢管构成，整体由三角形支撑结构，不锈钢台架下部有部分嵌入到水泥地基，保证整个不锈钢台架的稳定性；所述不锈钢台架共有三层，第三层放置上部水箱(1)及摄像机a(5)、摄像机b(11)和摄像机c(12)，第二层布置节流孔板(19)、所有传感器和电动调节阀，第一层布置有数据采集及控制系统(9)、下部水箱(23)和离心泵(28)；所述不锈钢台架能在第三层更换虹吸破坏管道(8)，第二层调整节流孔板(19)；所述不锈钢台架两侧有楼梯及防护栏杆；所述不锈钢台架置有多处正方形不锈钢支撑结构，以支撑u形及倒u形管道；所述不锈钢台架高度13m，最大瞬时流量40kg/s。
3.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：所述的上部水箱(1)材料为不锈钢，所述上部水箱(1)的外部能保证在试验工况下可自然流动规定时间；所述上部水箱(1)内部布置有溢水挡板，可对于水箱容积进行调整；，开设可视化窗口a(4)和布置摄像机a(5)以记录实验主管道水入流情况，检查是否有气泡直接进入试验主管道(17)；所述上部水箱(1)底部布置有绝压传感器a(6)以标定上部水箱(1)的水位高度；所述上部水箱(1)内部溶液为去离子水，去离子水由离心泵(28)从下部水箱(23)通过补水管道(31)补充，多余水由球阀a(23)和球阀b(24)通过排水管道(26)排出进入下部水箱(23)；所述上部水箱(1)内添置加热棒，保证试验装置进行常温试验，或者进行低温试验。
4.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：所述的虹吸破坏管道(8)材料为不锈钢，且可以根据不同工况更换管道，所述虹吸破坏管道(8)是倒“u”形状；所述的虹吸破坏阀(7)种类具有多样性，更换不同虹吸破坏阀(7)种类以验证其不同的可靠性；虹吸破坏阀(7)采用非能动式的气压式阀门，当虹吸破坏管道(8)出现由于虹吸产生的负压时虹吸破坏阀(7)能够自启动；或虹吸破坏阀(7)采用先导电磁阀控制的气动隔膜阀，将其与泵联锁，当泵停运式自动联锁打开虹吸破坏阀(7)。
5.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：所述的试验主管道(17)材料是不锈钢，所述的试验主管道(17)规格是dn600；所述的试验主管道(17)倒u形管道部分根据虹吸机理可分为上升段、水平段和下降段。
6.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：所述的补水管道(31)上依次设置还有电动调节阀(30)过滤器(29)和离心泵(28)，补水管道(31)是在离心泵(28)的作用下为上部水箱(1)输运去离子水，电动调节阀b(27)与离心泵(28)旁路连接，配合离心泵(28)提供管道压力输水，电动调节阀(30)设置补水管道(31)总流量，过滤器(29)为上部水箱(1)的水提供过滤。
7.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：所述的排水管道(26)为两个，分别由球阀a(24)和球阀b(25)打开后在重力作用下直接排放上部水箱(1)的水到下部水箱(23)。
8.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统，其特征在于：所述的可视化窗口a(4)、可视化窗口b(13)和可视化窗口c(15)材料均是亚克力板；所述的可视化窗口a(4)通过强力丙烯酸胶与开口后的上部水箱(1)粘结；所述的可视化窗口b(13)通过法兰与虹吸破坏管道(8)和试验主管道(17)连接；所述的可视化窗口c(15)通过法兰与试验主管道(17)连接。
9.如权利要求1所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统及方法，其特征在于：所述节流孔板(19)用于模拟试验主管道(17)的压降，不同工况可以调整孔板开孔实现不同压降；
10.如权利要求1-9任一项所述的一种用于核电厂虹吸破坏验证及机理研究的系统的工作方法，其特征在于：在所有阀门保证关闭和所有测试仪器正常工作的情况下，调整多级多孔组件(3)和节流孔板(19)达到工况要求；首先由外置的去离子水机向下部水箱(23)供满水，打开电动调节阀b(27)和电动调节阀c(30)，打开离心泵(28)向上部水箱(1)供水；待上部水箱(1)水位到达一定程度，打开电动调节阀a(20)和电动蝶阀(22)，使得虹吸破坏管道(8)和试验主管道(17)内充满水；通过超声波流量计(14)测量的流量数据观察试验主管道(17)流量是否满足工况破口要求，调整电动调节阀b(27)和电动调节阀c(30)的开度以控制上部水箱(1)内的水位以控制流量；确保各处摄像机图像摄影正常，打开电动蝶阀(21)模拟破口事故，记录各处传感器数据；预设时间后由于虹吸破坏管道(8)引入空气导致试验主管道(17)断流，说明虹吸破坏成功，进一步的观察上部水箱(1)液位下降高度来判断虹吸效果。
