高温颗粒同水相互作用的阻力实验研究

高温颗粒同水相互作用的阻力实验研究

1实验装置的建立及其实践意义随着蒸发，高温配合物的阻力完全不同。一些科学家在高温和低温条件下提出了粗混合阶段的阻力特征模型[1.3]，并使用实验数据证明了这一点，但结论不同。尤其是在高温颗粒在冷却剂中下沉过程中速度是增加还是减小,高温颗粒的自由沉降速度是否大于常温颗粒,分歧很大,目前这一现象及其机理尚未清楚。为揭示影响高温颗粒在冷液中的下沉速度的主要因素,设计和建立了一套研究高温颗粒同水相互作用的实验装置,通过针对性的实验设计,了解粒子间没有相互影响时,单个高温颗粒在水中产生蒸汽量的多少,以及水急剧蒸发作用在高温颗粒上阻止其向下运动的合力的大小。通过实验考察各种模型的可信度,并为进一步研究高速瞬态蒸发传热奠定实验基础。2静态汽膜生长率与th0的关系在水中运动的高温球形颗粒所受的拖曳力是作用在粒子表面的压力p(θ)和黏性力τw(θ)的合力,当粒子是球形时,拖曳力可写成式中,rh为高温球形颗粒的半径,m。压力随浸入角θs的变化的分布函数:当θ<θs时,式中,pg为水面上的大气压,Pa;φ为蒸汽产生的速度,m/s;av为静态汽膜生长率;c和λ为与小球下落速度有关的常数;t为浸入时间,s;γ(t)为与浸入角和浸入时间有关的函数。根据蒸发曳力理论,高温球形颗粒通过水面后最终速度是式中,vhtp为高温球形颗粒刚刚完全进入水中时的速度,m/s;vh0为高温球形颗粒刚刚接触水面时的速度,m/s;g为重力加速度,m/s2;ρh为高温球形颗粒的密度,kg/m3;ρl为冷却剂水的密度,kg/m3;tp为高温球形颗粒从刚刚接触水面到完全进入水中所需的时间,s。蒸汽产生速度φ的表达式为式中,Γh为蒸汽产生量,kg/m2s;ρgv为与外界压力对应的蒸汽密度,kg/m3;hq为热球表面的热流密度,W/m2;hfg为冷却剂的汽化潜热,J/kg;ε1为冷却剂的吸收率;εh为高温球形颗粒的辐射发射率;Th为高温球形颗粒的温度,K;lT为冷却剂的温度,K;σ为黑体辐射常数,其值为5.67×10-8W/m2K4。静态汽膜生长率av的表达式是式中,vas为由单个汽泡生长模型得到的汽膜生长率;αv为含汽率;n为经验常数。3实验与研究3.1实验计划3.1.1冷球浸泡实验用二氧化锆小球在可视化装置和相同介质内进行冷球下落阻力特性实验,作为高温实验的对比基础,同时考察系统的可用性。3.1.2水温度对可视化实验结果的影响分别将直径3、5、10mm的二氧化锆小球加热到高温,从距离水面1.55、1.61、1.96m高度自由坠入过冷度不同的水中,实时记录可视化实验结果。记录蒸汽膜的形成及碎化传播全过程,运用图像处理技术分析演变规律,给出必需的信息。3.1.3多颗粒相互作用将6个试验小球同时加热到2000°C,从距离水面1.55m的高度自由坠入32°C的水池中,实验多颗粒相互作用对颗粒飞落流动的影响,为修正基于单颗粒的高温球蒸发曳力模型提供实验基础。3.2高温炉测试(1)整个实验装置连接到位,打开高温炉的进料口,放入实验小球,关闭进料口,密封高温炉。(2)高温炉、真空泵接好电源;启动真空泵对高温炉抽真空至10-6,关闭真空泵;打开氦气瓶,向炉内充氦气至正压。(3)启动高温炉;调节红外线高温计,对准高温炉的测温孔;一段时间后打开测温孔内的挡在耐火玻璃的不锈钢挡板,读出数值后,关闭不锈钢挡板;当炉内的温度达到要求的值后,调节高温炉的电流量到稳定值;如果未达到要求的温度,继续升温,反复测量温度。(4)将高温炉的拉杆向外拉,同时通过进料口上的小孔测温,注意温度下降的情况;将拉杆重新推回去,待重新达到温度平衡后,拉出拉杆,转动,使实验小球自由下落入水;在转动拉杆前,启动摄像机,进行拍摄;拍摄前调节高速摄像机,预先设置在1000帧/秒,计算机连接到位;高速摄像机的视野设置在水面。(5)关闭高温炉,等待其自然冷却,为第二次实验做准备。(6)在计算机内处理相关信息。对不同温度、不同直径(3、5、10mm)的小球在不同高度(1.55、1.61、1.96m)反复做实验。3.3拖充物密度对传热过程的影响实验数据见表1。小球入水后的速度可通过测量连续两帧图像小球的相对位置获得,连续两帧图像的时间间隔为0.001秒。图1为热球和冷球入水连续图像。其中,图1a为高速摄像机设置在1000帧/s所连续摄得的5帧热球入水连续图像。温度约为2073°C,直径为10mm的二氧化锆小球以5.61m/s的初速度自由坠落入86°C的水池中;图1b为高速摄像机的设置在1000帧/s所连续摄得的4帧冷球入水连续图像,温度为26°C,直径为5mm的二氧化锆小球以6.20m/s的初速度自由坠落入90°C的水池中。从图1可以看到,试验小球入水后立即产生较大的汽泡,通过水面后的最终速度明显大于同一条件的高温球。证实确实存在蒸发曳力。多个小球高温试验的结果之一见图2。由图2可以观察到多个高温球形颗粒产生的汽泡互相重合。由于多球实验做得较少,多个颗粒产生的汽泡对速度的影响有待于进一步深入研究。由于拖曳力理论在计算高温小球或熔融物传热时只考虑辐射热传递,当熔融物温度很高时,辐射热传递成为主要的传热方式,不考虑对流换热及热传导也不会带来很大的误差。但在不太高的球温下,不能只考虑辐射换热,汽膜内的自然对流及强迫对流对总的热流密度的贡献也很大,尤其在常温下,辐射换热可以忽略不计。所以拖曳力模型不适应计算较低温度的物体与水相互作用的阻力特性,但能较好地模拟核反应堆严重事故下,堆芯熔融物与冷却剂相互作用(即FCI条件)下熔融物在冷却剂中的阻力特性。实验表明,当小球温度较高时,根据式(3)得出的理论解与实验值符合较好(图3)。拖曳力理论在计算辐射传热时,假设辐射热全部被汽液交界面吸收,而实际上大部分辐射热流深深地穿进了冷液,根据Tuland和Dobson的研究,在FCI条件下,即T=2000~3000K,其对应的波长为0.8~1.4µm,有相当一部分辐射能穿入水中。例如,当堆芯熔融物表面温度为3000K时,分别有25%,50%,70%的辐射能被汽液交界面后0.001m,0.01m,0.1m的水层吸收。所以拖曳力理论估计的汽膜厚度和蒸发速度较实际的高,根据拖曳力模型得出的球完全没入水中时速度较实际的低。高温下蒸汽的物性也有显著的改变,有资料表明当温度范围在氧化物的熔点附近或更高温度时,其发射率ε存在很大的不确定性,更重要的是发射率对温度的依赖性随材料的不同而不同。对典型的FCI条件下,辐射特性是未知的,随堆芯熔融物的成分和温度而变化。研究表明,UO2在温度在450~2200K之间,发射率是增长的,ε=0.81~0.84。Held和Wilder发现,接近2400K时,ε有一个小的回落。由于本次实验高温材料ZrO2的辐射特性资料的缺乏,ε取0.84。由于高温炉最高温度的限制(~2500K),未能证明更高温度的效果。由于实验光强的限制,未能达到1000帧/s以上速度,影响精度。今后将进