高溫顆粒沉降冷液熱工水力特性研究.pdf

1、在核電廠嚴(yán)重事故歷程中，可能誘發(fā)蒸汽爆炸的內(nèi)因是高溫熔融物與冷卻劑發(fā)生相互作用，經(jīng)歷顆粒碎化、傳熱面積急劇增加，導(dǎo)致蒸發(fā)速率速增、引起局部壓力突增現(xiàn)象。引起高溫熔融顆粒碎化的條件與顆粒－流體接觸面之間的傳熱和流動(dòng)相互作用有關(guān)。粗混合階段中顆粒的大小與相對(duì)聚集度、顆粒運(yùn)動(dòng)及汽膜行為都可能影響發(fā)生蒸汽爆炸的概率大小和爆炸的威力度，可見應(yīng)詳細(xì)研究顆粒運(yùn)動(dòng)過程特征及隱含的基本機(jī)理。已進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，在蒸汽爆炸的粗混合階段，高溫顆粒群或熔融物群體

2、與冷卻劑之間的相互耦合影響非常復(fù)雜，單個(gè)粒子與冷卻劑相互作用過程機(jī)理對(duì)能否升級(jí)為蒸汽爆炸至關(guān)重要。高溫球與冷液相互接觸迅即形成一蒸汽膜包殼，表現(xiàn)為一種復(fù)雜的沉降運(yùn)動(dòng)過程。這一過程視高溫球體溫度高低不同而不同。已提出的關(guān)于高溫沸騰條件下粗混合階段各種顆粒運(yùn)動(dòng)的阻力特性模型都應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。到目前為止，國際上從核電站事故安全出發(fā)，進(jìn)行了一些工程模擬性的冷卻過程實(shí)驗(yàn)研究，但幾乎沒有單純的“高溫球群－冷液”阻力特性實(shí)驗(yàn)研究，而且小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究

3、很少，在國內(nèi)尚無主題專門關(guān)于水蒸汽爆炸方面的實(shí)驗(yàn)研究。 在粘滯性冷液中，高溫粒子在重力作用下沉降，汽膜內(nèi)的蒸汽受浮升力作用，影響高溫顆粒沉降運(yùn)動(dòng)的阻力特性。高溫顆粒群的相互耦合影響更為復(fù)雜，并且會(huì)淹沒單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)特性。伴隨著蒸發(fā)的高溫顆粒，其阻力同常溫下的流動(dòng)阻力特性完全不同，需要進(jìn)行針對(duì)性的單個(gè)顆?；蛏倭款w粒的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究，及探討相關(guān)的單個(gè)高溫顆粒與冷液的熱工水力特性及顆粒群影響蒸發(fā)的理論研究。 本文在國家自然科學(xué)

4、基金項(xiàng)目：“高溫顆粒下落冷池沸騰蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)模型及瞬變阻力特性研究”、“蒸汽爆怍中膜態(tài)沸騰條件下高溫顆粒周圍流體熱動(dòng)力特性研究”及上海交通大學(xué)985工程課題子項(xiàng)目“核電站嚴(yán)重事故研究”的資助下，進(jìn)行水蒸汽爆炸粗混合階段高溫顆粒在水中運(yùn)動(dòng)的阻力與傳熱的耦合特性的針對(duì)性實(shí)驗(yàn)研究，在經(jīng)典的顆粒運(yùn)動(dòng)基本理論指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)研究揭示水蒸汽爆炸粗混合階段高溫顆粒在水中運(yùn)動(dòng)的特征，綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立合理的分析模型，合理預(yù)測(cè)了所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。 實(shí)驗(yàn)

5、結(jié)果證明：1.高溫顆粒下落阻力特性不同于常溫顆粒，高溫球體下落速度明顯低于常溫球體，存在著蒸發(fā)曳力作用； 2.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高溫顆粒在冷卻劑內(nèi)的沉降下落過程中呈減速運(yùn)動(dòng)，并存在第一亞穩(wěn)態(tài)速度； 3.其即時(shí)速度及第一亞穩(wěn)態(tài)速度的大小隨高溫顆粒溫度升高、冷卻劑過冷度下降、顆粒質(zhì)量及尺度減小、初速度降低而減小； 4.高溫顆粒周圍有一汽膜殼包裹，其周圍的汽膜可分為緊貼著高溫顆粒薄薄的汽膜前端區(qū)和高溫顆粒后部攜帶的氣泡——尾流區(qū)

6、。前端區(qū)和尾流區(qū)的分離點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定； 5.影響小球下落速度的，主要在其前端區(qū)域。高溫顆粒的溫度越高，其底部的汽膜厚度越厚； 6.多顆粒實(shí)驗(yàn)表明，除單顆粒的影響因素外，又疊加相互碰撞、顆粒群下落時(shí)相鄰顆粒間蒸發(fā)引起的交叉干涉等其它效應(yīng)。其中顆粒碰撞對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)影響最大； 7.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高溫球穿越水面時(shí)的速度，可用蒸發(fā)曳力模型擬合，計(jì)算結(jié)果基本一致，存在一定的誤差。 作者設(shè)計(jì)了一套高溫電阻爐和高溫球體下落水池實(shí)驗(yàn)

7、臺(tái)架。并進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀察被一層蒸汽膜殼包覆的單個(gè)或少量高溫小球在冷卻劑中的運(yùn)動(dòng)傳熱阻力特性。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的高溫電阻爐及高溫球體下落水池實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是適用的，基本上能夠滿足高溫顆粒下落冷池沸騰運(yùn)動(dòng)的瞬變阻力特性實(shí)驗(yàn)研究要求。運(yùn)用高速攝像機(jī)，獲取了具有蒸汽膜殼包覆的這種特殊構(gòu)形的高溫小球在水中的運(yùn)動(dòng)軌跡。 在粘滯性冷液中高溫球的運(yùn)動(dòng)與剛性顆粒在粘滯性流體中運(yùn)動(dòng)的阻力特性不同，也不同于汽泡的運(yùn)動(dòng)阻力特性，它是多相熱物理的一個(gè)基

8、礎(chǔ)問題。可歸結(jié)為兩個(gè)問題進(jìn)行討論：一，作用在下落的高溫顆粒上的各個(gè)分力不僅隨溫度改變，且各分力的相對(duì)權(quán)重也是時(shí)變的，它們是溫度的函數(shù)。本文基于經(jīng)典顆粒運(yùn)動(dòng)理論，針對(duì)單個(gè)高溫顆粒在水中沉降運(yùn)動(dòng)過程中所受到的各種作用力進(jìn)行綜合分析，討論與常溫顆粒的不同點(diǎn)，歸納出高溫球在黏性流體中垂降運(yùn)動(dòng)的一般表達(dá)式。二、在高溫顆粒的整個(gè)下落過程中，可以認(rèn)為包覆在高溫顆粒周圍的蒸汽膜里是一個(gè)內(nèi)熱源冷卻的傳熱過程。本文針對(duì)高溫顆粒在粘滯性冷卻劑中下落現(xiàn)象，結(jié)合

9、本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的熱工水力特性分析。 作者應(yīng)用近年來在多相流和沸騰換熱領(lǐng)域中的研究成果，考慮了輻射熱在液體內(nèi)部和汽液交界面的分布，及對(duì)流換熱對(duì)小球落水阻力的影響，對(duì)單位時(shí)間單位面積的汽液交界面產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量進(jìn)行了計(jì)算。利用已有的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，從液膜質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程等的基本場(chǎng)方程入手，以高溫球在黏性流體中垂降運(yùn)動(dòng)的一般表達(dá)式為基礎(chǔ)，結(jié)合膜態(tài)沸騰輻射傳熱分析，在總結(jié)前人研究基礎(chǔ)上形成一個(gè)自高溫顆粒越過水面、沉降到達(dá)第一亞穩(wěn)態(tài)

10、末速歷程的物理模型及數(shù)學(xué)模型，提出一個(gè)新的基于具有特殊復(fù)合構(gòu)形的高溫顆粒在冷卻劑中熱擴(kuò)散及運(yùn)動(dòng)阻力瞬態(tài)模型——HPMC(aHigh-temperatureParticleMovinginCoolant)模型。針對(duì)這樣一種特殊構(gòu)形下的沸騰蒸發(fā)冷卻瞬變過程的特殊屬性，采用相應(yīng)的高溫顆粒沉降的數(shù)值計(jì)算方法，基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的模型。該模型的數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)行了高溫小球沉降的瞬態(tài)過程擬合研究，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，得到高溫顆粒下落速度的瞬態(tài)變化擬合曲