高溫顆粒同水相互作用的阻力實(shí)驗(yàn)研究

高溫顆粒同水相互作用的阻力實(shí)驗(yàn)研究

1實(shí)驗(yàn)裝置的建立及其實(shí)踐意義隨著蒸發(fā)，高溫配合物的阻力完全不同。一些科學(xué)家在高溫和低溫條件下提出了粗混合階段的阻力特征模型[1.3]，并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了這一點(diǎn)，但結(jié)論不同。尤其是在高溫顆粒在冷卻劑中下沉過(guò)程中速度是增加還是減小,高溫顆粒的自由沉降速度是否大于常溫顆粒,分歧很大,目前這一現(xiàn)象及其機(jī)理尚未清楚。為揭示影響高溫顆粒在冷液中的下沉速度的主要因素,設(shè)計(jì)和建立了一套研究高溫顆粒同水相互作用的實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),了解粒子間沒(méi)有相互影響時(shí),單個(gè)高溫顆粒在水中產(chǎn)生蒸汽量的多少,以及水急劇蒸發(fā)作用在高溫顆粒上阻止其向下運(yùn)動(dòng)的合力的大小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察各種模型的可信度,并為進(jìn)一步研究高速瞬態(tài)蒸發(fā)傳熱奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2靜態(tài)汽膜生長(zhǎng)率與th0的關(guān)系在水中運(yùn)動(dòng)的高溫球形顆粒所受的拖曳力是作用在粒子表面的壓力p(θ)和黏性力τw(θ)的合力,當(dāng)粒子是球形時(shí),拖曳力可寫成式中,rh為高溫球形顆粒的半徑,m。壓力隨浸入角θs的變化的分布函數(shù):當(dāng)θ<θs時(shí),式中,pg為水面上的大氣壓,Pa;φ為蒸汽產(chǎn)生的速度,m/s;av為靜態(tài)汽膜生長(zhǎng)率;c和λ為與小球下落速度有關(guān)的常數(shù);t為浸入時(shí)間,s;γ(t)為與浸入角和浸入時(shí)間有關(guān)的函數(shù)。根據(jù)蒸發(fā)曳力理論,高溫球形顆粒通過(guò)水面后最終速度是式中,vhtp為高溫球形顆粒剛剛完全進(jìn)入水中時(shí)的速度,m/s;vh0為高溫球形顆粒剛剛接觸水面時(shí)的速度,m/s;g為重力加速度,m/s2;ρh為高溫球形顆粒的密度,kg/m3;ρl為冷卻劑水的密度,kg/m3;tp為高溫球形顆粒從剛剛接觸水面到完全進(jìn)入水中所需的時(shí)間,s。蒸汽產(chǎn)生速度φ的表達(dá)式為式中,Γh為蒸汽產(chǎn)生量,kg/m2s;ρgv為與外界壓力對(duì)應(yīng)的蒸汽密度,kg/m3;hq為熱球表面的熱流密度,W/m2;hfg為冷卻劑的汽化潛熱,J/kg;ε1為冷卻劑的吸收率;εh為高溫球形顆粒的輻射發(fā)射率;Th為高溫球形顆粒的溫度,K;lT為冷卻劑的溫度,K;σ為黑體輻射常數(shù),其值為5.67×10-8W/m2K4。靜態(tài)汽膜生長(zhǎng)率av的表達(dá)式是式中,vas為由單個(gè)汽泡生長(zhǎng)模型得到的汽膜生長(zhǎng)率;αv為含汽率;n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。3實(shí)驗(yàn)與研究3.1實(shí)驗(yàn)計(jì)劃3.1.1冷球浸泡實(shí)驗(yàn)用二氧化鋯小球在可視化裝置和相同介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行冷球下落阻力特性實(shí)驗(yàn),作為高溫實(shí)驗(yàn)的對(duì)比基礎(chǔ),同時(shí)考察系統(tǒng)的可用性。3.1.2水溫度對(duì)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響分別將直徑3、5、10mm的二氧化鋯小球加熱到高溫,從距離水面1.55、1.61、1.96m高度自由墜入過(guò)冷度不同的水中,實(shí)時(shí)記錄可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。記錄蒸汽膜的形成及碎化傳播全過(guò)程,運(yùn)用圖像處理技術(shù)分析演變規(guī)律,給出必需的信息。3.1.3多顆粒相互作用將6個(gè)試驗(yàn)小球同時(shí)加熱到2000°C,從距離水面1.55m的高度自由墜入32°C的水池中,實(shí)驗(yàn)多顆粒相互作用對(duì)顆粒飛落流動(dòng)的影響,為修正基于單顆粒的高溫球蒸發(fā)曳力模型提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。3.2高溫爐測(cè)試(1)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置連接到位,打開高溫爐的進(jìn)料口,放入實(shí)驗(yàn)小球,關(guān)閉進(jìn)料口,密封高溫爐。(2)高溫爐、真空泵接好電源;啟動(dòng)真空泵對(duì)高溫爐抽真空至10-6,關(guān)閉真空泵;打開氦氣瓶,向爐內(nèi)充氦氣至正壓。(3)啟動(dòng)高溫爐;調(diào)節(jié)紅外線高溫計(jì),對(duì)準(zhǔn)高溫爐的測(cè)溫孔;一段時(shí)間后打開測(cè)溫孔內(nèi)的擋在耐火玻璃的不銹鋼擋板,讀出數(shù)值后,關(guān)閉不銹鋼擋板;當(dāng)爐內(nèi)的溫度達(dá)到要求的值后,調(diào)節(jié)高溫爐的電流量到穩(wěn)定值;如果未達(dá)到要求的溫度,繼續(xù)升溫,反復(fù)測(cè)量溫度。(4)將高溫爐的拉桿向外拉,同時(shí)通過(guò)進(jìn)料口上的小孔測(cè)溫,注意溫度下降的情況;將拉桿重新推回去,待重新達(dá)到溫度平衡后,拉出拉桿,轉(zhuǎn)動(dòng),使實(shí)驗(yàn)小球自由下落入水;在轉(zhuǎn)動(dòng)拉桿前,啟動(dòng)攝像機(jī),進(jìn)行拍攝;拍攝前調(diào)節(jié)高速攝像機(jī),預(yù)先設(shè)置在1000幀/秒,計(jì)算機(jī)連接到位;高速攝像機(jī)的視野設(shè)置在水面。(5)關(guān)閉高溫爐,等待其自然冷卻,為第二次實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。(6)在計(jì)算機(jī)內(nèi)處理相關(guān)信息。對(duì)不同溫度、不同直徑(3、5、10mm)的小球在不同高度(1.55、1.61、1.96m)反復(fù)做實(shí)驗(yàn)。3.3拖充物密度對(duì)傳熱過(guò)程的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。小球入水后的速度可通過(guò)測(cè)量連續(xù)兩幀圖像小球的相對(duì)位置獲得,連續(xù)兩幀圖像的時(shí)間間隔為0.001秒。圖1為熱球和冷球入水連續(xù)圖像。其中,圖1a為高速攝像機(jī)設(shè)置在1000幀/s所連續(xù)攝得的5幀熱球入水連續(xù)圖像。溫度約為2073°C,直徑為10mm的二氧化鋯小球以5.61m/s的初速度自由墜落入86°C的水池中;圖1b為高速攝像機(jī)的設(shè)置在1000幀/s所連續(xù)攝得的4幀冷球入水連續(xù)圖像,溫度為26°C,直徑為5mm的二氧化鋯小球以6.20m/s的初速度自由墜落入90°C的水池中。從圖1可以看到,試驗(yàn)小球入水后立即產(chǎn)生較大的汽泡,通過(guò)水面后的最終速度明顯大于同一條件的高溫球。證實(shí)確實(shí)存在蒸發(fā)曳力。多個(gè)小球高溫試驗(yàn)的結(jié)果之一見圖2。由圖2可以觀察到多個(gè)高溫球形顆粒產(chǎn)生的汽泡互相重合。由于多球?qū)嶒?yàn)做得較少,多個(gè)顆粒產(chǎn)生的汽泡對(duì)速度的影響有待于進(jìn)一步深入研究。由于拖曳力理論在計(jì)算高溫小球或熔融物傳熱時(shí)只考慮輻射熱傳遞,當(dāng)熔融物溫度很高時(shí),輻射熱傳遞成為主要的傳熱方式,不考慮對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)也不會(huì)帶來(lái)很大的誤差。但在不太高的球溫下,不能只考慮輻射換熱,汽膜內(nèi)的自然對(duì)流及強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)總的熱流密度的貢獻(xiàn)也很大,尤其在常溫下,輻射換熱可以忽略不計(jì)。所以拖曳力模型不適應(yīng)計(jì)算較低溫度的物體與水相互作用的阻力特性,但能較好地模擬核反應(yīng)堆嚴(yán)重事故下,堆芯熔融物與冷卻劑相互作用(即FCI條件)下熔融物在冷卻劑中的阻力特性。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)小球溫度較高時(shí),根據(jù)式(3)得出的理論解與實(shí)驗(yàn)值符合較好(圖3)。拖曳力理論在計(jì)算輻射傳熱時(shí),假設(shè)輻射熱全部被汽液交界面吸收,而實(shí)際上大部分輻射熱流深深地穿進(jìn)了冷液,根據(jù)Tuland和Dobson的研究,在FCI條件下,即T=2000~3000K,其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為0.8~1.4μm,有相當(dāng)一部分輻射能穿入水中。例如,當(dāng)堆芯熔融物表面溫度為3000K時(shí),分別有25%,50%,70%的輻射能被汽液交界面后0.001m,0.01m,0.1m的水層吸收。所以拖曳力理論估計(jì)的汽膜厚度和蒸發(fā)速度較實(shí)際的高,根據(jù)拖曳力模型得出的球完全沒(méi)入水中時(shí)速度較實(shí)際的低。高溫下蒸汽的物性也有顯著的改變,有資料表明當(dāng)溫度范圍在氧化物的熔點(diǎn)附近或更高溫度時(shí),其發(fā)射率ε存在很大的不確定性,更重要的是發(fā)射率對(duì)溫度的依賴性隨材料的不同而不同。對(duì)典型的FCI條件下,輻射特性是未知的,隨堆芯熔融物的成分和溫度而變化。研究表明,UO2在溫度在450~2200K之間,發(fā)射率是增長(zhǎng)的,ε=0.81~0.84。Held和Wilder發(fā)現(xiàn),接近2400K時(shí),ε有一個(gè)小的回落。由于本次實(shí)驗(yàn)高溫材料ZrO2的輻射特性資料的缺乏,ε取0.84。由于高溫爐最高溫度的限制(~2500K),未能證明更高溫度的效果。由于實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)的限制,未能達(dá)到1000幀/s以上速度,影響精度。今后將進(jìn)