Экспериментальное исследование возможности возникновения парового взрыва на начальной стадии дробления струи расплава


Авторы

Васильев Н. В.*, Вавилов С. Н., Лиджиев Е. А.

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13/19

*e-mail: nikvikvas@mail.ru

Аннотация

При попадании в холодную воду расплава с высокой температурой при определенных условиях возможны процессы ее вскипания взрывного характера, сопровождаемые фрагментацией расплава, приводящей к росту площади контакта горячего и холодного вещества. Данное явление, получившее название паровой взрыв, способно вызвать разрушительные последствия на объектах атомной, металлургической, целлюлозно-бумажной промышленностей. Работа посвящена экспериментальному исследованию с помощью высокоскоростной видеосъемки процесса парового взрыва на дробящейся струе расплавленной соли NaCl в воде. Исследованы режимы распада струи на крупные части, сопровождающиеся отрывом мелких капель-сателлитов с размерами на порядок меньше диаметра струи. Продемонстрирована возможность возникновения парового взрыва вследствие самопроизвольного триггеринга процесса на капле-сателлите на начальном этапе первой стадии грубого дробления и перемешивания струи расплава и его распространения на крупные фрагменты распада струи. Показано, что вероятность развития событий по данному сценарию уменьшается с ростом температуры воды.

Ключевые слова:

паровой взрыв, недогретая вода, дробление струи, капля-сателлит, расплавленная соль, самопроизвольный триггеринг, высокоскоростная видеосъемка

Библиографический список

  1. Corradini M.L., Kim B.J., Oh M.D. Vapor explosions in light water reactors: A review of theory and modeling // Progress in Nuclear Energy. 1988. V. 22. № 1. P. 1-117. DOI: 10.1016/0149-1970(88)90004-2
  2. Fletcher D.F., Theofanous T.G. Heat Transfer and Fluid Dynamic Aspects of Explosive Melt–Water Interactions // Advances in heat transfer. 1997. V. 29. P. 129–213. DOI: 10.1016/S0065-2717(08)70185-0
  3. Berthoud G. Vapor explosions // Annual Review of Fluid Mechanics. 2000. V. 32. № 1. P. 573–611. DOI: 10.1146/annurev.fluid.32.1.573  
  4. Shen P., Zhou W., Cassiaut-Louis N. et al. Corium behavior and steam explosion risks: A review of experiments // Annals of Nuclear Energy. 2018. V. 121. P. 162–176. DOI: 10.1016/j.anucene.2018.07.029
  5. Simons A., Bellemans I., Crivits T. et al. Vapor explosions: modeling and experimental analysis in both small-and large-scale setups: a review // The Journal of The Minerals, Metals and Materials Society. 2021. V. 73. № 10. P. 3046–3063. DOI: 10.1007/s11837-021-04767-y
  6. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Якуш С.Е. Термическое взаимодействие высокотемпературных расплавов с жидкостями // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. № 2. С. 280–318.
  7. Li M., Chen L., Liu Z. et al. Fragmentation and solidification of fuel–coolant interaction of columnar molten iron and water // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2023. V. 148. №. 20. P. 10897–10906. DOI: 10.1007/s10973-023-12419-3
  8. Simons A., Bellemans I., Crivits T. et al. Heat transfer considerations on the spontaneous triggering of vapor explosions – a review // Metals. 2021. V. 11. № 55. DOI: 10.3390/met11010055
  9. Jin E., Bussmann M., Tran H. An experimental study of smelt-water interaction in the recovery boiler dissolving tank // Tappi Journal. 2015. V. 14. № 6. P. 385–393. DOI: 10.32964/TJ14.6.385  
  10. Jin E. Smelt droplet-water interaction in the kraft recovery boiler dissolving tank // diss. ...PhD. Toronto, 2017. 146 p.
  11. Ивочкин Ю.П., Бородина Т.И., Казаков А.Н. и др. Экспериментально-расчетное исследование возможности получения аморфных сплавов при взрывной фрагментации горячих капель в низкокипящем охладителе // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. № 3. С. 136–142. DOI: 10.34759/tpt-2020-12-3-136-142
  12. Агальцов А.М., Вавилов С.Н., Мариничев Д.В. Волновое движение границы раздела фаз при пленочном кипении жидкостей на вертикальных цилиндрах // Тепловые процессы в технике. 2014. Т. 6. № 6. С. 242–245.
  13. Вавилов С.Н., Жатухин А.В., Киреева А.Н. Исследование контакта холодного теплоносителя с перегретой поверхностью // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3. № 3. С. 118–121.
  14. Cronenberg A.W., Chawla T.C., Fauske H.K. A thermal stress mechanism for the fragmentation on molten UO2 upon contact with sodium coolant // Nuclear Engineering and Design. 1974. V. 30, № 3. P. 433–443. DOI: 10.1016/0029-5493(74)90228-3
  15. Kazimi M.S., Autruffe M.I. On the mechanism for hydrodynamic fragmentation // Trans. American Nuclear Society. 1978. V. 27. P. 321–322.
  16. Kim B., Corradini M.L. Modeling of small–scale single droplet fuel/coolant interactions // Nuclear Science and Engineering. 1988. V. 98, P. 16–28. DOI: 10.13182/NSE88-A23522  
  17. Ciccarelli G., Frost D.L. Fragmentation mechanisms based on single drop steam explosion experiments using flash X-ray radiography // Nuclear engineering and design. 1994. V. 146. № 1–3. P. 109–132. DOI: 10.1016/0029-5493(94)90324-7
  18. Клименко А.В., Вавилов С.Н., Васильев Н.В. и др. Паровой взрыв: экспериментальные наблюдения стадии спонтанного триггеринга процесса // Доклады академии наук. Физика, технические науки. 2022. Т. 503. С. 13–16. DOI: 10.1134/S1028335822010025
  19. Васильев Н.В., Вавилов С.Н., Зейгарник Ю.А. и др. Экспериментальные исследования явлений, происходящих при триггеринге парового взрыва // Теплоэнергетика. 2024. № 7. С. 63–71. DOI: 10.56304/S004036362470005X
  20. Saito S., Abe Y., Koyama K. Flow transition criteria of a liquid jet into a liquid pool // Nuclear engineering and design. 2017. V. 315. P. 128–143. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2017.02.011
  21. Вавилов С.Н., Васильев Н.В., Зейгарник Ю.А. и др. Спонтанный триггеринг парового взрыва: результаты экспериментальных исследований // Теплоэнергетика. 2022. № 7. С. 15–22. DOI: 10.1134/S0040363622070074
  22. Васильев Н.В., Вавилов С.Н., Зейгарник Ю.А. Визуализация процессов, происходящих при самопроизвольном триггеринге парового взрыва // Научная визуализация. 2023. Т. 15. № 2. С. 38–44. DOI: 10.26583/sv.15.2.04
  23. Вавилов С.Н., Васильев Н.В., Зейгарник Ю.А. Паровой взрыв: экспериментальные наблюдения // Теплоэнергетика. 2022. № 1. С. 78–84. DOI: 10.1134/S0040363621110072
  24. Катышев С.Ф., Десятник В.Н. Плотность и поверхностное натяжение расплавов системы NaF–NaCl–ZrF4 // Атомная энергия. 1998. Т. 84. № 1. С. 61–64.
  25. Manickam L., Qiang G., Ma W. et al. An experimental study on the intense heat transfer and phase change during melt and water interactions // Experimental Heat Transfer. 2019. V. 32. № 3. P. 251–266. DOI: 10.1080/08916152.2018.1505786
  26. Yakush S.E., Sivakov N.S. Numerical modeling of high-temperature melt droplet interaction with water // Annals of Nuclear Energy. 2023. V. 185. DOI: 10.1016/j.anucene.2023.109718
  27. Ивочкин Ю.П., Вавилов С.Н., Зейгарник Ю.А. и др. К вопросу об отсутствии фрагментации горячих капель при малых недогревах охладителя // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19. № 4. С. 475–481. DOI: 10.1134/S0869864312030080

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2025