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相互作用有關(guān)。粗混合階段中顆粒的大小與相對聚集度、顆粒運(yùn)動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，單個粒子與冷卻劑相互作用過程機(jī)理對能否升級為蒸汽爆炸至關(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)動的阻力特性模型都應(yīng)進(jìn)行實驗驗證。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驗研究，但幾乎沒有單純的“高溫球群－冷液”阻力特性實驗研究，而且小規(guī)模的實驗研究

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驗研究。 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，并且會淹沒單個顆粒的運(yùn)動特性。伴隨著蒸發(fā)的高溫顆粒，其阻力同常溫下的流動阻力特性完全不同，需要進(jìn)行針對性的單個顆?；蛏倭款w粒的小規(guī)模實驗研究，及探討相關(guān)的單個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、基金項目：“高溫顆粒下落冷池沸騰蒸發(fā)運(yùn)動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力特性研究”及上海交通大學(xué)985工程課題子項目“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)動的阻力與傳熱的耦合特性的針對性實驗研究，在經(jīng)典的顆粒運(yùn)動基本理論指導(dǎo)下，通過實驗研究揭示水蒸汽爆炸粗混合階段高溫顆粒在水中運(yùn)動的特征，綜合分析實驗結(jié)果建立合理的分析模型，合理預(yù)測了所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。 實驗

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.實驗發(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，并存在第一亞穩(wěn)態(tài)速度； 3.其即時速度及第一亞穩(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?。?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)的分離點相對穩(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.多顆粒實驗表明，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)。其中顆粒碰撞對顆粒運(yùn)動影響最大； 7.實驗驗證了高溫球穿越水面時的速度，可用蒸發(fā)曳力模型擬合，計算結(jié)果基本一致，存在一定的誤差。 作者設(shè)計了一套高溫電阻爐和高溫球體下落水池實驗

7、臺架。并進(jìn)行了可視化實驗研究，觀察被一層蒸汽膜殼包覆的單個或少量高溫小球在冷卻劑中的運(yùn)動傳熱阻力特性。實驗表明所設(shè)計的高溫電阻爐及高溫球體下落水池實驗臺架是適用的，基本上能夠滿足高溫顆粒下落冷池沸騰運(yùn)動的瞬變阻力特性實驗研究要求。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)動軌跡。 在粘滯性冷液中高溫球的運(yùn)動與剛性顆粒在粘滯性流體中運(yùn)動的阻力特性不同，也不同于汽泡的運(yùn)動阻力特性，它是多相熱物理的一個基

8、礎(chǔ)問題?？蓺w結(jié)為兩個問題進(jìn)行討論：一，作用在下落的高溫顆粒上的各個分力不僅隨溫度改變，且各分力的相對權(quán)重也是時變的，它們是溫度的函數(shù)。本文基于經(jīng)典顆粒運(yùn)動理論，針對單個高溫顆粒在水中沉降運(yùn)動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，歸納出高溫球在黏性流體中垂降運(yùn)動的一般表達(dá)式。二、在高溫顆粒的整個下落過程中，可以認(rèn)為包覆在高溫顆粒周圍的蒸汽膜里是一個內(nèi)熱源冷卻的傳熱過程。本文針對高溫顆粒在粘滯性冷卻劑中下落現(xiàn)象，結(jié)合

9、本實驗進(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，及對流換熱對小球落水阻力的影響，對單位時間單位面積的汽液交界面產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量進(jìn)行了計算。利用已有的實驗和理論基礎(chǔ)，從液膜質(zhì)量、動量和能量守恒方程等的基本場方程入手，以高溫球在黏性流體中垂降運(yùn)動的一般表達(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)動阻力瞬態(tài)模型——HPMC(aHigh-temperatureParticleMovinginCoolant)模型。針對這樣一種特殊構(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)值計算方法，基于實驗驗證了的模型。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，并與實驗值進(jìn)行比較，得到高溫顆粒下落速度的瞬態(tài)變化擬合曲