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


Авторы

Васильев Н. В.1*, Вавилов С. Н.2, Лиджиев Е. А.2

1. Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, 125412, Россия
2. 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

Список источников

  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