熔融液滴冲击冷却剂界面的运动特性实验研究.pdf

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：066132 熔融液滴冲击冷却剂界面的运动特性实验 研究 李良星李会雄陈听宽 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西一西安，．710049 摘要：设计和建立了研究高温熔融液滴与冷却剂相互作用规律的系列实验的可视化实验装置，通过 高速摄影仪记录熔融液滴的下落过程．获得了熔融液滴下落过程的清晰图像，得到了下落液 滴运动过程曲线，重点考察了液滴温度和冷却荆温度对液滴一冷却剂界面作用过程的影响， 为后续研热IFCI过程各种现象奠定了实验基础． 关键词：熔融液滴， 冷却剂，WFCI，运动过程 1．引言 fuel-coolant 高温熔融液滴与冷却剂相互作用(Molten 假想严重事故中的一个重要现象和过程，是蒸汽爆炸现象中的一个重要子过程，也是工 业生产中极为关心的一个问趔11。 肝CI过程中，高温熔融液滴冲击气液界面进入冷却剂中，由于冷却剂的饱和温度低， 而且高温熔融液滴与冷却剂之间存在很大的温度差，于是在高温熔融液滴与冷却剂的接 触面上发生冷却剂的强烈沸腾蒸发，沸腾蒸发的急剧程度与熔融液滴和冷却剂之间的温 差、液滴与冷却剂的接触面积总量有关，甚至还有可能涉及金属一水化学反应。在某种条 件下，由于高速蒸发而在瞬间产生大量蒸汽，蒸汽急剧膨胀，形成高压冲击波，可能引发爆 炸。称为蒸汽爆炸。蒸汽爆炸可能会危及周围核反应堆物件和其他建筑物的安全，导致放 ： 射物质泄漏。 一 高温熔融液滴与冷却剂相互作用过程包含了多组份多相介质的高速流动与传热，以 及瞬态沸腾蒸发、多种介质的混合、熔融液滴的凝固与破碎等多种复杂的物理现象。一 个公认的观点就是认为在MFCI过程中，有两种作用同时存在于高温熔融液滴与冷却剂 的相互作用过程中：即由于速度差异而引发的水动力学作用，和由于非等温条件而引起 的热力学作用【21。研究MFCI的规律对于认识蒸汽爆炸现象的演化规律，防止核电站严 重事故的发生，抑制核电站严重事故的发展有着重要的意义。 由于在前苏联发生的切尔诺贝利核电站事故中发生了激烈的熔融堆芯与冷却剂的 相互作用并导致蒸汽爆炸，造成了严重后果，与此相关的研究得到了世界各国核工业界和 研究机构的高度重视，并已成为各国研究防Jt和缓解现役及新一代核电站严重事故对策 时的研究热点之一ljJ。 在过去的二十多年里，高温熔融液滴与冷却剂相互作用现象得到了大量的实验研 881 BILL 之间的影响淹没了单个颗粒的运动特性。也使得高温熔融体与冷却剂之间的相互作用过 程变得更加复杂，难于深入分析高温熔融颗粒与冷却剂之间相互作用的机理和基本规律． 因此，除了大规模的实验之外．还需进行单个或少量颗粒的小规模实验研究，以探讨单个 颗粒的运动特性及相邻颗粒周围蒸发的影响性。 伴随着蒸发，作用在下落熔融液滴上的阻力与作用在常温下固体颗粒上的阻力不 同。作用在常温下固体颗粒上的阻力主要由压差和粘性摩擦所引起的，阻力随着下落颗 粒的速度增大而增大。针对单个高温颗粒运动特性，一些学者提出了关于高温沸腾条件 下粗混合阶段颗粒运动的阻力特性模型f7’8】，并分别用实验数据进行了论证，但结论不尽 相同，尤其是高温颗粒在冷却剂中下沉过程中的速度是增加还是减小抑或是有增有减的 分歧很大【6】． 为揭示高温熔融液滴与冷却剂自由面作用的特性，本文设计和建立了一套研究高温 熔融液滴与冷却剂(水)相互作用规律的可视化实验装置．通过针对性的实验设计，研 究单个高温熔融液滴冲击气一水自由界面时与冷却剂的相互作用过程及其规律性，并为 进一步研究影响高温熔融液滴冲击冷却剂界面的破碎特性奠定实验基础。 2．实验设计 2．1实验装置设计 熔融液滴与冷却剂相互作用过程中，高温熔融 液滴的尺寸、温度、入水前后的速度、冷却剂过冷 度和