（核科学与技术专业论文）高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究.pdf

上海交通大学博士后研究工作报告高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究 高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究 摘要 高温熔融液滴落入冷却剂中可能会诱发蒸汽爆炸，因此开展蒸汽爆炸粗混合 阶段高温颗粒在冷却剂中运动特性的实验与理论研究，对深入认识蒸汽爆炸产生 的机理具有重要意义。 本文对现有的高温颗粒与冷却剂相互作用的实验装置进行了改进，运用高速 摄像技术记录了单个或多个高温钢球和二氧化锆小球穿过液面及在液面下运动 的整个过程。通过实验观察，发现在高温小球下落冷液的过程中，由于小球周围 冷却荆的快速蒸发使得高温小球周围包覆着一层很薄的蒸汽膜，并在小球的后面 跟随较长的气泡尾流。 实验数据的结果表明，由于小球周围液体的快速蒸发形成的向上的阻力会阻 碍小球的运动，高温小球在冷液中的下落速度明显低于常温小球在冷液中的下落 速度。这一结果从实验的角度验证了高温小球穿过液面时蒸发拖曳力模型的正确 性。 通过数据分析发现，小球温度、小球直径以及冷液的过冷度是影响高温小球 在液面下运动特性的重要因素。在其他条件相同的情况下，小球温度越高、直径 越小、冷液的过冷度越小，高温小球在冷却剂中相同位置的运动速度会越小，并 且其能够接近的相对稳定速度也越小。 为了研究高温小球相互作用的影响，本文也进行了多个高温小球下落到冷液 中的实验研究。实验结果表明，多个高温小球在液面下的运动规律与单个高温小 球时的情形相似，但多个高温小球在液面下运动时，前面小球后跟随的汽泡会与 后面的小球发生碰撞和扰动，在一定程度上对高温小球的运动产生了一定的影 响。但由于本文实验条件的限制，实验过程中每次释放的高温小球个数不是很多， 这种影响并不明显。 本文基于y a n g ( 1 9 9 6 ) 提出的高温小球在液面下运动时的蒸发阻力模型， 分析并整理现有的实验数据，提出了高温小球在冷却剂中运动时的半经验半理论 运动阻力模型，并得到了高温小球在冷却剂中运动时的阻力系数计算关系式。 攘要 模型计算的结果表明，对于不嘲材料的高激小球在冷却剂中运动时的阻力系 数变纯虢律呈现国相似的规律。而对于丽种材科的高澄小球，在赢径程同的情况 下，温度越高，其受到的捅应的阻力系数越大，运动速度相应较小；丽对于直径 不丽，箕谴条 串穗弼静高漱，j 、球奁冷帮剂中运动豹德躐，壹径越小懿高温，j 、球， 其在冷却剂中运幼的阻力祭数会较大，运动遴度会较小。 关键词：蒸汽爆炸，高温颗粒，冷却剂，运动阻力 上海交通大学博士后研究工作报告 高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究 a ne x p e r 薹别哐n t a la n dt 珏嚣o r e t i c a l s t u d yo nt h 嚣d r a gf o r c e c 珏a r a c t e 薹江s 1 l c so fh i g h ，i e m p e r a i u r e p a r 下i c l e sf a l l i n gi nt h ec o o l a n t a b s t r a c t v a p o re x p l o s i o nm a yb d n go u tw h e nh i g ht e m p e r a t u r em e l t sf a l li n t ot h ec o o l a n t p o o l ，i no r d e rt ok n o wa b o u tt h em e c h a n i s mo f v a p o re x p l o s i o nm o r ec l e a r l y , i ti sv e r y s i g n i f i c a n t t o c a r r y o u tt h e e x p e r i m e n t 8 l a n dt h e o r e t i c a l s t u d y o n t h e d r a g c h a r a c t e r i s t i c so f h i g ht e m p e r a t u r es p h e r e sf a l l i n gi n t ot h ec o o l a n tp 0 0 1 i nt h i sp a p e r , t h ee x i s t j n ge x p e r i m e n t a l e q u i p m e n ti nt h el a b o r a t o r y w a s i m p r o v e da n dt h ew h o l ep r o c e s so f s i n g l eo rs e v e r a lh i 曲t e m p e r a t u r es t e e lo rz i r e o n i a s p h e r e sp e n e t r a t i n gt h ef r e es u r f a c ea n d 黼i i n gi n s i d et h ec o o l a n tw a sr e c o r d e db y h i g h - s p e e dv i d e oc r r n e r a 。f r o mt h ee x p e r i m e n to b s e r v a t i o n , i tc o u l db e f o u n dt h a tt h e 越g ht e m p e r a t u r es p h e r ew a ss u 玎o u n d e db yt h i nv a p o rf i l mb e c a u s eo f t h eh i g h - s p e e d e v a p o r a t i o no ft h ec o o l a n ta r o u n dt h es p h e r e t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a tt h e d r a gf o r c ep r o d u c e db yt h er a p i de v a p o r a t i o no ft h ec o o l a n tw o u l dr e s i s tt h e m o v e m e n to ft h es p h e r e ，a n dt h ef a l l i n gv e l o c i t yi nt h ec o o l a n to fh i g ht e m p e r a t u r e s p h e r ew a so b v i o u s l yl o w e rt h a nt h a to ft h ec o l ds p h e r e t h ee v a p o r a t i o nd r a gm o d e l w a s e x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , i tw a ss h o w e dt h a tt h ed i a m e t e ra n d t e m p e r a t u r eo fs p h e r ea n dt h es u b c o o l i n go ft h ec o o l a n tw e r et h em a i nf a c t o r st o a f f e c tt h em o v e m e n to ft h es p h e r ei n s i d e t h ec o o l a n t k e e p i n go t h e rc o n d i t i o n s u n c h a n g e d ，i tc o u l db ef o u n dt h a tt h ef a l l i n gv e l o c i t yo ft h es p h e r ei n s i d et h ec o o l a n t w a ss m a l l e rw h e nt h es p h e r eh a dh i g ht e m p e r a t u r eo rs m a l ld i a m e t e ro rt h ec o o l a n t h a ds m a l ls u b c o o l i n g a n dt h er e l a t i v es t a b l ev e l o c i t yt h e yc o u l da p p r o a c hf i n a l l yw a s a l s os m a l l e r a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eh i 垂t e m p e m t = l ：u e s p h e r e s ，t h ee x p e r i m e n t so f m u l t i - s p h e r e 僦l i n gi n t ot h ec o o l a n tw e r ea l s oc a r r i e do u t 1 1 幛e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h ep h e n o m e n ao f m u l t i s p h e r ef a l l i n gi n t ot h ec o o l a n t w a ss i m i l a rt ot h a to fs i n g l es p h e r e ，b u tt h el a t t e rs p h e r e sw o u l db ec o l l i d e da n d d i s t u r b e db yt h eb u b b l e sp r o d u c e db yt h ef o r m e rs p h e r e sw h e nm u l t i s p h e r ef e l ti n t o t h ec o o l a n t ，f r o ma n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，i tw a ss h o w e dt h a tt h ei n f l u e n c eo f t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es p h e r e sw a sn o tv e r yo b v i o u si nt h i sp a p e r , a n dt h er e a s o n m a y b ew a st h en u m b e ro fs p h e r e si nm u l t i s p h e r ee x p e r i m e n tw a sn o tv e r yl a r g ea n d t h i sw a sl i m i t e db yt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 。 b a s e do ny a n g se v a p o r a t i o nd r a gm o d e l ，a n a l y z i n ga n dc o r r e l a t i n gt h e e x p e r i m e n t a ld a t a , an e ws e m i - e x p e r i e n c ea n ds e m i - t h e o r e t i c a ld r a gf o r c em o d e lo f h i g ht e m p e r a t u r es p h e r e sf a l l i n gi n s i d et h ec o o l a n tw a sp r o p o s e d ，t h e nt h ed r a g c o e f f i c i e n tc o r r e l a t i o nw a sa l s oo b t a i n e d 。 t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h ed r a gc o e f f i c i e n to f s t e e ls p h e r e sf a l l i n gi n s i d e t h ec o o l a n tv a r i e ds i m i l a r l yw i t hz i r e o n i as p h e r e s a c c o r d i n gt os p e c i f i cm a t e r i a l s p h e r e s ，w h e nt h ed i a m e t e ri st h es a n l e ，t h et e m p e r a t u r eo ft h es p h e r ei sh i g h e r , a n d t h ed r a gc o e f f i c i e n ti sb i g g e r , t h e nt h ev e l o c i t yi ss m a l l e r e nt h ed i a m e t e ri s d i f f e r e n ta n do t h e rc o n d i t i o n sa 糟t h es a m e t h ed i a m e t e ro fs p h e r ei ss m a l l e r , a n dt h e d r a gc o e f f i c i e n ti sb i g g e r , t h e nt h ev e l o c i t yi ss m a l l e r t o o k e yw o r d s ：v a p o re x p l o s i o n ，h i g ht e m p e r a t u r es p h e r e ，c o o l a n t ，d r a gf o r c e 二蔓幽杰掌博士屠研究工作摄告嶷湛颗粒在冷却荆孛运动隧南特缝静实验与理论研究 英文字母 疗 4 0 e d e g n m p a 3 娃 v q y 6 0 主要符号表 常数 匿积，m 2 常数 阻力系数 高温小球运动阻力系数 疆力，n 重力加速度，m s 2 潜热，j k g 质量，蜓 压力，p a 热量，j 半径，m 截面积，m 2 ，源项 时间，s 温度， 速度，m s 速度，m s 体积，m 体积槌份额 非对称分布茵予 虞量产生率，k g m 2 s 汽膜厚度，n l 黑度 角度 上海交通大学博士后研究工作报告高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 当高温熔融金属液体遇到低沸点的冷流体时，由于冷却剂在快速蒸发的同 时，在一定条件下会触发融熔物中的颗粒进一步碎化，产生大量熔融碎片微粒， 使得与冷却剂的接触总面积将急剧增加，因而传递出更多的贮能，促使冷却剂的 蒸发气化更为急剧，产生高压蒸汽，高压蒸汽膨胀，对周围环境作功，形成冲击 波，有可能导致爆炸，该现象称为蒸汽爆炸。这种现象可能发生在核电站堆芯融 化事故、热处理用盐浴炉或铸造厂的化铁炉等各种高温炉事故、自然界火山喷发 的熔融岩浆在地表面流淌等意外过程中。由于在前苏联发生的切尔诺贝利核电站 事故中，发生了激烈的融熔堆芯与冷却剂的蒸汽爆炸，蒸汽爆炸的研究主要集中 在核电站严重事故研究中，并且已成为世界各国研究防止和缓解现役和新一代核 电站严重事故对策中的研究热点之一【“。 蒸汽爆炸是很剧烈的多相现象，包含了快速的热量和质量交换。这些交换引 起了许多复杂的物理现象，如：高速相交换，高热力不平衡，水力不稳定性，压 力波，液滴的碎化等等。 一般，蒸汽爆炸会经历了几个阶段，即喷射和破裂、粗混合、激发和碎化、 碎化传播和膨胀等几个阶段 2 】。下面将一一简单描述这几个阶段。 ( 1 ) 喷射和破裂阶段【3 当熔融的液体以任意长度的液柱形式喷射进入冷液时，高温液柱周围的冷却 剂会因为高速蒸发在液柱的周围形成一层蒸汽膜，从而将两种液体隔离开来。但 是在运动过程中，由于蒸汽和冷却剂表面的水动力不稳定性，蒸汽膜会受到扰动， 其形状和大小会变得不稳定，一旦两种不同温度的液体重新接触到一起，将会引 起更加剧烈的局部冷却剂蒸发，局部冷却剂的蒸发对高温液柱产生作用力，在此 过程中会生成不连续的液滴状高温颗粒，从而发展到高温液滴与冷却剂的混合过 程。t h c o f a n o u s 首次提出了这种喷射裂变的模式。 ( 2 ) 粗混合阶段c 4 , 5 , 6 , 7 , 8 第一章缝逄 在高温熔融液滴岛冷却剂相互作用( f c i ) 研究的各个阶段中，粗混合阶段 ( 叉称预混合) 是一个很值得研究的重霰过程，人们对高温熔融液滴与冷却剂之 阕穗互律爰豹辊理鲍认识残不清楚。这一除段不仅仅是赛滋熔融渡潦与冷却裁的 麓攀滢会，该除段箨爨在 # 爆炸噩稳态豹惩遮霉孛闻毒戳跃a 豢移翻足移，它露豁 决定接下来的碎化阶段发生的可能性和强魔大小。在粗混合阶段，其特点是在高 濑熔融液滴的表面会覆盖有一层球形蒸汽膜，从而将高温熔融液滴和冷却剂分隔 开采。在这种特殊缩手勾下，高温熔融波滴、蒸汽膜和冷却剂乏阍的传熟组成主要 瞧揍貘态沸瓣黄热、热传警帮蕊辐瓣死耱方式，其孛态瀑憋融滚滚与冷帮裁之润 的热辐射是最重要的传热方式之一。 ( 3 ) 激发和破碎1 9 , 1 0 】 在蒸汽爆炸过程巾，篱温熔融液滴的鞯化程度对热量传递效率的增加影响非 霉熬要，霆我，近年来，辩蒸汽爨炸遥程巾蕊滠熔融滚滚熬薅偬豹辍理研究弓| 怒 了入稍广泛的兴趣。瓣纯是由激发过程零l 发的，僵是人们黠予激发盼梳理试识并 不清楚。有一种论点认为，激发似乎与黼温熔融液滴周围的蒸汽膜的塌陷有关。 因为在高温熔融液滴邋动的过程中，可能由于冷却剂本身的扰动使得冷却剂被推 内寒溢熔醺滚滚，从蕊可能弓l 起蒸汽膜塌酪。 嵩遗薅聚滚滚魏秘镬：在强 霉泠毅帮霹缝发生，毽是在蒸汽矮薅戆不霞狳彀 时，碎化的机理和规横是不同的。如果激发模式不同，员n 碎化形式也会有差异。 人们根据引起碎化的驱动力的来源，将碎化机理大致可以分为以下两种：水动力 碎化和热碎化模型。 承蘩力薅纯攘鏊认梵，当寒瀣熔融滚滚爱婪戆终表嚣力是蟛党l 受熔融滚滚豹 激疆张力，就会发= 墼水动力碎纯。有两种方法可以达到这荦牵散慕：流体中高温熔 融液滴的加速度和撞锵引起的碎化。高滠熔融液滴在冷却剂巾突然加速或者减速 会使蒸汽膜与高温熔融液滴间以对流的方式进行热传递，从而会引起蒸汽膜的塌 鼷，宠服表嚣张力，从嚣会弓| 起骞漫熔融滚潦魏变形嚣破碎。撞壹模型剐是缓设 蔫漩熔融滚滚叁由下落劐冷帮剜孛辩，蔫玲去| j 裁衰嚣撞壹露琴l 怒的内宠鼗竞蔽离 激熔融液滴的表面张力。 热碎化模型则认为，引起碎化的热因索( 包括沸腾、凝网和蒸汽膜内部增压 的影响) 取决于引起猝他的能量来源。蕊予这一碎化机理，许多研究者建立了相 上海交通大学蹲圭痿磷窕芏俸报告糍溢颓粒在冷却翔孛运渤辍力特性戆实验与理论错觉 应的碎化模型。例如k i m 的模型( 1 9 8 5 年) 认为当蒸汽膜朦由于喷射而塌陷时， 便会发生碎化，而麒由于表面的r a y l e i g h - - t a y l o r 不稳定性，会造成冷却剂喷射， 弓l 起冷熹l 裁进入鑫滋熔融滚滚中，并黩强液演中汽纯膨胀，从露造成嵩湛熔融波 滂耱破碎。在这释戮笼冷却； l 进入络融滚滚焉造成碎德飘趱串，碎纯度该包禽潋 下三个阶段：蒸汽膜塌陷、形成喷射和喷入熔融液滴并汽化，前两个过程同时发 生并且决定冷却剂喷入熔融液滴时的逋度大小。 ( 4 ) 碎化传攒f 1 1 , t 2 蘸匿熔疆滚滚瓣碎德会大大增翔鼹熬蘑积，产生熬蒸汽豢会逯速增热，跌 嚣 产生很大的蒸汽服力，引起其他没有发嫩碎优的高温熔融液滴周围的蒸汽膜的不 稳定，并激发这浆液滴碎化，这种持续的或链式的碎化过襁称为碎化传播或碎化 升级。这里需要指出的是，并不是所有的激化或碎化都会引起传播，这主要取决 予囊箕蘧毫湿熔融滚滚瓣癸毒 二产生戆聪力波是否足以大笺澎或薪翦蹊菇条停。麴 聚在系统中能葶| 怒潞亿传播，弼会在缝辩酒蠢形成缀赢的蒸汽压力，会雩| 超大藏 围的蒸汽爆炸。 ( 5 ) 膨胀阶段【1 3 】 当大量的高温熔黻液滴在系统内发生媾对碎纯，系统内幽予大量冷却荆的快 遽汽纯车孥会缪减蔫簇蒸汽，瓢瑟会影滴弱髑圈嚣麓甚至弓l 怒系统结梅戆酸舔。磷 究并分析这一过稔熄为了得到其中存在的一些潜在的破坏信息和蒸汽产生的过 程，但是在弄清楚这阶段之前，还需鼹了解这一阶段之前的更多信息。 入们对蒸汽爆炸各个阶段的很多机理还不了解，下面分别从蒸汽爆炸的实验 秘蒸汽瀑黪羹数馕援熬覆穿及摸型研究瓣角菠分述其进震。 1 2 蒸汽爆炸的实验研究 1 2 。1q u e o s 实骏1 4 3 在单个离滠敉予与冷却裁懿反应中，簸著名静是q u e o s 实验。这个蠢德 国f z k 研究所的m e y e r 教授所做的实骢中，采用三种不同的小球，温度1 8 0 0 k ， 总共做了6 0 次实验，最后得到了7 个谢用的数据。这三种小球，密度分为两种， 赢经分为5 m m 、1 0 m m 、4 。3 m m 三种。馓实验对，将2 3 0 0 个到4 9 0 0 0 个小球， 第一章绪论 即总质量为7 k g 到2 0k g 的小球加热到1 8 0 0 1 ( ，投入到水中，观察其喷射现象， 以研究蒸汽爆炸中的粗混合阶段高温小球的运动特性。 q u e o s 实验的设备由水容器、炉子和分隔两者的阀门系统组成。小球被放 在充满氢气的带电辐射炉中加热。水容器由不锈钢框架组成，在1 3 8 c m 高的地 方内部镶有一个7 0 7 0 c m 2 的玻璃，以便进行可视化实验。炉中的小球温度用高 温热电偶测量，小球就要掉入水中一刻时的温度用响应时间为l m s 的高温计来 测量，而水和水蒸气的温度由热电偶测量。另外用六个压电效应的压力传感器测 量水容器中的压力，实验中使用了两个高速摄影仪和两个摄影仪记录小球下落的 过程。本文的实验台架就是参照q u e o s 实验台架设计和建造的。 实验发现，当小球喷射进入水中时，喷射直径为l o o m m ，长度介于6 0 e m 和1 2 0 c m 之间，平均的固体含量比例约在2 5 左右。相对于第一批q u e o s 实 验中的l $ c m 宽的短距离喷射，这些长喷射和多颗粒的小球在水中是另一种表现， 出现了高速液膜。在q u e o s 实验中，最先进入水中的小球在水里形成一道蒸汽 通道，其余的小球基本上都从这个通道通过，直至撞上前面的小球，促使前面的 小球加快速度。由于一些影响，小球分散开来，其中最主要的影响是前沿的小球 速度的差异所致，即密度大的小球侧向推动另一些小球。同时，在混合区域周围 向上的水流减缓了小球的下坠速度，产生的蒸汽也使小球分开，而且，容器壁也 有一定的影响，不过，这影响很小。实验过程中采用了高速摄像系统拍摄实验图 象，并对系统的压力、水温以及产生的蒸汽量进行了测量。 1 2 2m a g l c 0 - - 2 0 0 0 实验蚓 在起初的实验中，使用大约几升的钢球，温度达到9 0 0 ，以2 m s 的速度 掉入饱和水池，下落深度为0 2 5 至o 5 m 。在新的实验中，增加了推力，使粒子 温度高达2 0 0 0 ，所以称之为m a g i c o - - 2 0 0 0 实验。在这么高的温度水平，辐 射传热变得相当重要，同时使前混合的空泡率上升到原先m a g i c o 实验的1 6 倍。 实验分为两个系列：一个提出了动量反应，包含绝热流( 室温) ，即冷态实 验；另一个包含了相变的影响的高温流，即热态实验。通过实验发现冷态实验时 的一些有趣现象：在透视前沿形成密集区域：在相对稠密的粒子云( 空泡率为 上海交通大学博士后研究工作报告高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究 1 0 一1 4 ) 后面形成“空洞”；在透视前沿有波动( 像手指状) ；移动缓慢影 响了平面对称。在热态实验中有趣的现象有：在混合区域局部地区有汽泡；由于 膨胀，整体都有汽泡：混合区域形成两相流的喷射：不同过冷度对上述现象有不 同的影响。 1 2 3k r o t o s 实验m 3 在大规模的堆芯熔融物与水的反应中，最著名的要数1 9 9 9 年h u h t i n i e m i 做 的k r o t o s 实验了。h u h t i n i e m i 做了两组实验进行对比，一组实验材料为铝， 另一组实验为堆芯熔融物。 从实验中可以观察到，当铝与高过冷度的水发生反应时，都产生了自发的蒸 汽爆炸，而低过冷度条件时，没有发生蒸汽爆炸，由此，我们可以认为：一方面， 低过冷度能抑制自发蒸汽爆炸；另一方面，在这样一个系统里，用外部触发器是 可以触发蒸汽爆炸的。另外的一些实验参数包括铝的过热度和初始压力。所有过 热度范围为1 5 0 k - - 7 5 0 k 的实验都会产生蒸汽爆炸，而压力提高( 0 1 m p a 一 0 3 7 5 m p a ) 不会抑制蒸汽爆炸。 堆芯熔融物实验系列中，包括了在任意压力下过冷的或者近似包含的水，与 3k g 堆芯熔融物的实验。此堆芯熔融物是由8 0 的二氧化铀和2 0 的二氧化锆 组成( 8 0 u 0 2 + 2 0 z r 0 2 ) 。另外两个附加实验都是用过冷水，一个是用在 o 2 m p a 压力下的2 4 蚝的堆芯熔融物，另一个是在任何压力下的5 1k g 的堆芯熔 融物。使用堆芯熔融物的实验没有产生蒸汽爆炸，但可以观察到能量扩散。实验 显示，所有用堆芯熔融物做的实验，水膨胀比较厉害，在混合区域水的耗尽抑制 了蒸汽爆炸的发生。 h u h t i n i c m i 在2 0 0 1 年又做了一系列的关于k r o t o s 实验的引申实验，本实 验的目的主要是观察金属如何进入以及堆芯熔融物的混合条件。实验结果给出了 金属喷射速度，气体的特性以及混合区域金属形态的一些定性的描述。通过观察， 有助于将一些开始时不同的假设归到一种假设，并且可以促进建立模型的一些有 关局部概念的图形。 本实验的目的主要是观察金属如何进入以及堆芯熔融物的混合条件。这一目 的已经达到，实验结果给出了金属喷射速度，气体的特性以及混合区域金属形态 第一章绪论 的一些定性的描述。通过观察，有助于将一些开始时不同的假设归到一种假设， 并且可以促进建立模型的一些有关局部概念的图形。 1 2 4f a r o 实验m 3 m a g a l l o n 设计做f a r o 实验是用来提供当发生严重事故时，大量的堆芯熔 融物金属与水混合，熔融物骤冷时的数据。实验中使用1 5 0 蚝的u 0 2 一z 的2 和 z r 0 2 - - z r 的混合物与水发生反应。通常，假设堆芯熔融物浸入水中到达下腔室， 随后就固定在反应堆压力容器的下封头上。因此，该实验是建立在小范围、计算 单独影响的实验的基础上。 在f a r o 的两个大质量的熔融物与水的实验中，实验数据涉及到熔融喷流 的破碎、能量的释放、碎片结构、底盘热负荷和锆氧化物的重要影响等。其中， 有些数据在小规模实验中是无法得到的。 通过本实验，m a g a l l o n 等发现能量在熔融物( 质量含量8 0 的u 0 2 和2 0 的z r 0 2 ) 在水中下落的过程中释放出来，为o 8 0 1 v i j k g ，它与熔融物的质量 ( 4 4 1 5 1k g ) 和水的深度( 1 - 2 m ) 无关：加了金属锆后，蒸汽产生率和容器内 的压力明显增加，而底盘热负荷降低；纯氧化物与水反应时，部分熔融物( 1 3 1 6 ) 到了池底仍是熔融物。在有金属锆底情况下，完全破碎发生在1 。2 1 4 m 处；当熔 融物在底盘堆积起来时，底盘的温度上升到最大的可测量温度3 3 0 k 。 很明显，以上所列举的实验过程中，无一例外地都使用了高速摄像系统这一 可视化的工具，并结合了压力压差传感器、热电偶、流量计等各种仪表对实验参 数进行辨识，以期获得更多更准确的实验数据信息。 1 3 蒸汽爆炸粗混合阶段模型 1 3 1 粗混合阶段的模型 随着计算机技术的发展，许多用来模拟蒸汽爆炸过程的数值程序应运而生， 而对蒸汽爆炸粗混合阶段的研究最为成熟。关于蒸汽爆炸粗混合阶段的模型首先 是由a m a r a s o o r i y a l l8 】提出的，他将三相问题简化为瞬时的两相问题，把蒸汽和水 均看成理想的均相流，它们之间没有滑移。其后许多学者也提出了自己的模型， 第一章绪论 的一些定性的描述。通过观察，有助于将一些开始时不同的假设归到一种假设 并且可以促进建立模型的一些有关局部概念的图形。 1 2 4f a r o 实验 m a g a l l o n 设计做f a r o 实验是用来提供当发生严重事故时，大量的堆芯熔 融物金属与水混台，熔融物骤冷时的数据。实验中使用1 5 0k g 的u 0 2 一z 的2 和 z r 0 2 - - z r 的混合物与水发生反应。通常，假设堆芯熔融物浸入水中到达下腔室， 随后就固定在反应堆压力容器的下封头上。因此，该实验是建立在小范围、计算 单独影响的实验的基础上， 在f a r o 的两个大质量的熔融物与水的实验中，实验数据涉及到熔融喷流 的破碎、能量的释放、碎片结构、底盘热负荷和锆氧化物的重要影响等。其中， 有些数据在小规模实验中是无法得到的。 通过本实验，m a g a l l o a 等发现能量在熔融物( 质量含量8 0 的u 0 2 和2 0 的z r 0 2 ) 在水中下落的过程中释放出来，为o8 0 m j k g ，它与熔融物的质量 ( 4 4 1 5 1k g ) 和水的深度( 1 - 2 m ) 无关：加了金属锆后蒸汽产生率和容器内 的压力明显增加，而底盘热负荷降低；纯氧化物与水反应时，部分熔融物( 1 3 - l ，6 ) 到了池底仍是熔融物。在有金属锆底情况下，完全破碎发生在l 。2 - 1 4 m 处；当熔 融物在底盘堆积起来时，底盘的温度上升到最大的可测量温度3 3 0 k 。 很明显，以上所列举的实验过程中，无一例外地都使用了高速摄像系统这一 可视化的工具，并结合了压力压差传感器、热电偶、流量计等各种仪表对实验参 数进行辨识，以期获得更多更准确的实验数据信息。 13 蒸汽爆炸粗混合阶段模型 1 3 1 粗混合阶段的模型 随着计算机技术的发展，许多用来模拟蒸汽爆炸过程的数值程序应运而生， 而对蒸汽爆炸粗混合阶段的研究最为成熟。关于蒸汽爆炸粗混合阶段的模型首先 是由a m a r a s o o d y a l l ”提出的，他将三相问题简化为瞬时的两相问题，把蒸汽和水 均看成理想的均相流，它们之间没有滑移。其后许多学者也提出了自己的模型， 均看成理想的均相流，它们之间没有滑移。其后许多学者也提出了自己的模型， 第一章绪论 的一些定性的描述。通过观察，有助于将一些开始时不同的假设归到一种假设， 并且可以促进建立模型的一些有关局部概念的图形。 1 2 4f a r o 实验m 3 m a g a l l o n 设计做f a r o 实验是用来提供当发生严重事故时，大量的堆芯熔 融物金属与水混合，熔融物骤冷时的数据。实验中使用1 5 0 蚝的u 0 2 一z 的2 和 z r 0 2 - - z r 的混合物与水发生反应。通常，假设堆芯熔融物浸入水中到达下腔室， 随后就固定在反应堆压力容器的下封头上。因此，该实验是建立在小范围、计算 单独影响的实验的基础上。 在f a r o 的两个大质量的熔融物与水的实验中，实验数据涉及到熔融喷流 的破碎、能量的释放、碎片结构、底盘热负荷和锆氧化物的重要影响等。其中， 有些数据在小规模实验中是无法得到的。 通过本实验，m a g a l l o n 等发现能量在熔融物( 质量含量8 0 的u 0 2 和2 0 的z r 0 2 ) 在水中下落的过程中释放出来，为o 8 0 1 v i j k g ，它与熔融物的质量 ( 4 4 1 5 1k g ) 和水的深度( 1 - 2 m ) 无关：加了金属锆后，蒸汽产生率和容器内 的压力明显增加，而底盘热负荷降低；纯氧化物与水反应时，部分熔融物( 1 3 1 6 ) 到了池底仍是熔融物。在有金属锆底情况下，完全破碎发生在1 。2 1 4 m 处；当熔 融物在底盘堆积起来时，底盘的温度上升到最大的可测量温度3 3 0 k 。 很明显，以上所列举的实验过程中，无一例外地都使用了高速摄像系统这一 可视化的工具，并结合了压力压差传感器、热电偶、流量计等各种仪表对实验参 数进行辨识，以期获得更多更准确的实验数据信息。 1 3 蒸汽爆炸粗混合阶段模型 1 3 1 粗混合阶段的模型 随着计算机技术的发展，许多用来模拟蒸汽爆炸过程的数值程序应运而生， 而对蒸汽爆炸粗混合阶段的研究最为成熟。关于蒸汽爆炸粗混合阶段的模型首先 是由a m a r a s o o r i y a l l8 】提出的，他将三相问题简化为瞬时的两相问题，把蒸汽和水 均看成理想的均相流，它们之间没有滑移。其后许多学者也提出了自己的模型， 上海窝遴丈学辩士嚣锈究工箨壤瓣 裹溢颥靛在羚帮蘩每运动疆办掩缝静实验与理论研究 下面将主要的几个加以简要介绍。 ( 1 ) p h o 嚣n l c s 疆净 遮是i n a l l r 和b a n k o 拼1 9 1 为了检查二维结构的混合情况的多用途c f d 糨序。 该翟窿鞭定蒸汽窝承罄燕施秘熬，势且蒸汽巍承之黧没有耀对潜移，熔融物没有 碎化。 ( 2 ) 孙献疆彦 该模型的建立和p h o e n i c s 模型相似，区别在于a b o f 甜l 和n e o f ；m o l l 8 用 k 联x 程序求麟多相渡方程。 ( 3 ) s i m m e r 程序 b o h l 和l u c k 【2 0 俑快难模型来研究高澄颗粒与冷帮剡i 约稆甄作用( f c i ) ， 方法与前面两个模型类似，并且假定熔融物与冷却荆其有相同的速度。程净计算 中采用了i s 麟隰力系数模型。 ( 4 ) t e ) 漱s 模垂 该模型是由c h u 和e o m d i n i 2 1 1 提出的，是一个维模型，三种组分宥各自 豹瀑发窝速度。熔聚餐稳麓挝貉赘鬻方法楚璞，并运璃了动力学褡往穰垄，掰班 这个模型为碎化模型的发展建立了非常有用的框架。 ( 5 ) 疆c l 模型 该模型是由y o l l n g 口2 1 发展的，它是一个二维模型，三相有各自的速度和温度， 并运鼷表压鼹路算法，囊聪以模拟大戆连续懿熔裂甥匿浆碎化，毽霹默模数游状 熔融物的碎化。 ( 6 ) p m - a l p h a 程序 该模型由t h e o 纽l o u s 粥提出。是一个二绒模型，运用分相流模型，即三种组 分有备自的速度和温度，像不能模拟碎化过程。该模型假定初始祭件为蒸汽和水 豹速麓为零，澄发为键帮濑度，压力为常匿，针对每一稠到质量、动量、麓嚣守 恒方程，根据熔融物分额和含汽率分成不同的流动结构，针对每个流动结构采用 w a l l i s 渊黎l s 撼i 器鬈等人懿辑究残暴，写赉拖曳力表达式，并霹不鬻r e 辩表嚣热 流密度、相变量避行了推导。程序模型计算中采用了i s h i i 的阻力添数模型。 ( 7 ) 王v a 3 程序 k o l e v 2 6 1 用i v a 3 程序来研究粗混合过程，通过程序对各组分的多相流方程 第一章鳍论 求解，是一个三维的分相流模型，备相具有备自的速魔舜口温度，该模型不熊模拟 蓐纯过程。 ( 8 ) c h 州e s 模型 该模型是由f l e t c h e r 秘t h y a g a r a j a 2 7 1 发展的，是一个二维三樱模型，霹以模 拟碎化进程，可以求解瞬时解。该模型适用真角坐标系和圆柱坐标系，适合求解 水池形状为长方形，圆柱形或半圆形的结构。该模型限定蒸汽和水必须具有饱和 温度，不能模拟避冷永的情况。该模避假定所肖流体都怒不可压缩流体假定熔融 物是由许多小液滴组成，熔融液滴为连续流，该模型忽略了粘性力的作用且不能 许算添漉的清流。该模型可良计算释羯在熔融物主懿力、熔融镌奄承之蠢懿煞健 递以及跟踪熔融物的温度变化，虽然模型对汽、水运用均相流模溅，但仍与实际 情嚣褥念较驽。 ( 9 ) t h i r m a i ，模型 该摸墼是塞c 如【2 霹熬，趱寒磅究熔融喷射携豹玻藤避程。该横鳖蔹趸骜邋匏 微分方程来研究喷射前沿的球涡流的碎化情况和材料从喷射主体剥离的情况。这 一摸赘的特性与上葱讨论舱其他模擞撮不一榉。 ( 1 0 ) j a s m i n e p r o 程序 2 9 , 3 0 1 幽日本原予能研究所( j a e i u ) 开发，j a s m i n e - p r o 程序是个多相、多维 的燕z 水力计算程序，模挺中包捂赢榴：承、蒸气、烙融液滴、( 熔融) 碎片、 冷却荆；该程序包括一维微粒化计算、二维微粒化计算嗣二维压水堆事故的计算 等。j a s m i n e - p r o 程序豹辩闻基级稳l o 每被骥确嗣来分褥零蒸气瀵妻# 串莲力波绩 播现象，描述控制方程的数学思想悬采用有限差分法。蒸汽爆炸分成两个模块， 箨j a s m i n e 聱转一粳混会羚段和j a s m i n e p 翔一压力波铸撵徐段。 1 。3 2 单个或多个高瀑小球在冷却剂中运动阻力特性疆究 高温小球进入冷液之柳，由于小球和冷液之间的瀑麓很大，靠近高温小球表 露懿波俸狭速蒸发，莠在夺塔静表嚣形成豢蒸汽蔟，魏辩蒸汽膜蠹靠遥夸球表 面的燕汽为过热状态。小球的热量通过对流、热传导、辐射的方式传递给蒸汽膜 争 侧戆滚髂，绥汽滚交雾纛戆滚诲，过渡至l 稳秽状态，这罄滚髂趣汽骥内蒸发， 此时蒸汽膜内的蒸汽是饱和态的。上述动态变化过程视离温小球的温度高低而不 s 上海交通大学博士后研究工作报告 高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究 同，高温小球依靠重力作用在冷液中下降，而蒸汽膜内的蒸汽由于浮升力作用自 下向上运动。 y a n g 3 1 , 3 2 提出的蒸发拖曳力模型认为高温小球为一球面径向厚度不均匀的 蒸汽膜包覆，蒸汽膜内蒸汽的当地蒸发率及当地密度成非球对称分布，该非球对 称分布将导致高温小球表面具有非球对称的压力分布，并且高温小球周围形成的 蒸汽膜内存在蒸汽绕流。该非球对称的压力分布会在高温小球上产生一个向上的 合力阻止其向下运动，根据蒸发拖曳力理论，高温小球在冷液中的下落速度将大 大低于常温粒子。由于在国外进行的主要是一些大规模蒸汽爆炸实验，而大量的 高温颗粒在冷液中运动时相互耦合影响非常复杂，淹没了单个颗粒的运动特性， 为了验证蒸发拖曳力模型的正确性，y a n g 及其合作者1 3 3 , 3 4 进行了单个高温小球 或少量高温小球下落到水中运动的小规模实验研究，用以探讨单个高温小球在水 中的运动特性及相邻颗粒间蒸发的影响，目前国内外进行小规模实验研究的还很 少。 c a o ”，一6 1 分析高温小球或熔融液滴在冷液中下落时，将围绕高温小球表面的 蒸汽流动分成两个区域：层流区( 前端) 和尾流区，分别考虑了层流和紊流两种 不同的流动条件。他认为高温小球在冷液中下落时，其运动阻力系数可以表示为 雷诺数、蒸汽与冷液的粘度和密度比、以及为考虑蒸汽膜对阻力影响而引入的两 个无量纲数的函数。在紊流条件下，其运动阻力系数关联式是通过实验数据拟合 得到的，并发现有蒸汽膜时的运动阻力系数要比无蒸汽膜时小。基于单个高温小 球阻力模型和混合粘度的思想，c a o ( 2 0 0 1 ) 还分别提出了层流和紊流情况下的 多个高温小球在冷液中的运动阻力模型，并与q u e o s 的实验结果进行了比较。 1 4 内容简介 在国外进行的主要是大规模的蒸汽爆炸实验，由于大量的高温颗粒落入冷液 中运动时，各个高温颗粒之间相互作用的耦合影响因素非常复杂，淹没了单个颗 粒的运动特性，因此开展小规模的少量高温颗粒下落冷液中运动特性的研究，有 利于分割高温颗粒之间干扰颗粒运动的影响因素，从而从本质上了解这种特殊复 合结构条件下的高温小球运动特性，并建立合理的机理描述。同时，为了验证 y a n g ( 1 9 9 6 ) 的蒸发拖曳力模型的适用性与正确性，本文在实验室已有的实验 第一章绪论 台架基础上，加以改进，开展了单个或多个冷球和高温小球在冷却剂中运动特性 的实验与理论研究。主要内容如下： l 、对本研究室开展高温小球下落到冷液中的运动特性研究以来的工作进行 了回顾和总结，对已有的实验台架和装置进行了改进，添置了可以拍摄高温小球 在冷液中下落全过程的高速动态摄影系统。此外，为了获得更好的图像效果，还 购买了大功率的冷光源及拍摄用的暗箱装置 v 2 、采用高速摄影技术对单个或多个高温钢球、二氧化锫小球下落到水中的 运动特性进行了实验研究，对实验过程中出现的各种实验现象进行了详细地描 述、分析和比较，重点分析了影响高温小球运动特性的各种影响因素，探讨了高 温小球温度、小球直径和水的过冷度对小球运动阻力特性的影响规律。 3 、基于y a n g ( 1 9 9 6 ) 的高温小球穿过自由表面的蒸发拖曳力模型，本文开 展了该模型的实验验证研究。此外，本文还对y a n g ( 1 9 9 6 ) 提出的高温小球在 液面下运动的蒸发拖曳力模型进行了欧拉坐标变换，并通过实验数据拟合，提出 了高温小球在冷却剂中运动时的半经验半理论运动阻力模型。 0 上海交通大学博士后研究工作报告 高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究 第二章实验装置与测量系统 本章将简要介绍本实验室进行设计和建造的高温颗粒与冷却剂相互作用的 实验装置3 4 3 7 3