Исследование тонкой фрагментации капель расплава олова при взаимодействии с водой


Авторы

Васильев Н. В.1*, Вавилов С. Н.1, Семенов И. П.1, 2, Аввакумов С. Г.2

1. Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская, 13, стр.2, Москва, 125412, Россия
2. ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана», 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, с. 1

*e-mail: nikvikvas@mail.ru

Аннотация

В работе представлены результаты исследования самопроизвольной тонкой фрагментации капель расплава олова при взаимодействии с водой посредством визуализации процесса с помощью скоростной видеосъемки и структуры и размеров затвердевших продуктов (дебрисов). Эксперименты проводились в следующих диапазонах параметров: масса расплава олова mSn = 1–3 г, температура воды Tводы = 18–23 °С, температура расплава 400 °С < TSn < 1000 °С. Тонкая фрагментация капель олова наблюдалась в примерном диапазоне температур расплава 500 °С < TSn < 850 °С. С ростом температуры расплава в данном диапазоне мощность паровых взрывов и степень фрагментации капли увеличивались. Затвердевшие продукты фрагментации имели пористо-сетчатую структуру с разветвленной увеличенной площадью поверхности с габаритными размерами в несколько мм. Для оценки изменения температуры капли расплава во время свободного падения в воздухе после выхода из плавильного тигля была разработана и применена математическая модель, которая учитывает охлаждение за счет конвекции и излучения. Показано, что изменение температуры капли до входа в емкость с водой для типичных условий проведенных экспериментов составляет менее 1 % от температуры расплава в тигле.

Ключевые слова:

паровой взрыв, тонкая фрагментация, капля расплава, олово, скоростная видеосъемка, охла-ждение в воздухе, математическое моделирование

Список источников

  1. Ivochkin YuP, Borodina TI, Kazakov AN et al. Experimental and computational study of the possibility of obtaining amorphous alloys during explosive fragmentation of hot drop-lets in a low-boiling cooler. Thermal processes in engineering. 2020;12(3):136–142. (In Russ.).
  2. Agal’tsov AM, Vavilov SN, Marinichev DV. Wave motion of the phase interface during film boiling of liquids on vertical cylinders. Thermal processes in engineering. 2014;6(6):242–245. (In Russ.).
  3. Vavilov SN, Zhatukhin AV, Kireeva AN. Study of the contact of a cold coolant with a superheated surface. Thermal processes in engineering. 2011;3(3):118–121. (In Russ.).
  4. Park H.S., Hansson R.C., Sehgal B.R. Fine fragmentation of molten droplet in highly subcooled water due to vapor explosion ob-served by X-ray radiography. Exp. Therm. Fluid Sci. 2005;29(3):351–361. DOI: 10.1016/j. expthermflusci.2004.05.013
  5. Manickam L, Qiang G, Ma W et al. An exper-imental study on the intense heat transfer and phase change during melt and water in-teractions. Exp. Heat Transf. 2018; 32(3):251–266. DOI:  10.1080/08916152.2018.1505786
  6. Wang C, Wang C, Chen B et al. Fragmenta-tion regimes during the thermal interaction between molten tin droplet and cooling water. Int. J. Heat Mass Transf. 2021;166. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120782
  7. Ivochkin YuP, Yudin SM, Borodina TI et al. Specific Features of the Breakup of Hot Liq-uid Metal Droplets Falling into Cold Water. Technical Physics. 2024;69(10): 2517–2526. DOI: 10.1134/S1063784224700828
  8. Ivochkin YP, Yudin SM. Study of Some Fea-tures of Explosive Fragmentation of Liquid Bismuth during Its Contact with Water. Fluid Dynamics. 2025;60. DOI: 10.1134/S0015462825603833
  9. Vasil’ev NV, Vavilov SN, Zeigarnik YuA et al. Experimental Studies of Phenomena Oc-curring during Vapor Explosion Triggering. Thermal Engineering. 2024;71(7): 600–607. (In Russ.). DOI: 10.1134/S0040601524700113
  10. Vasil’ev NV, Vavilov SN, Lidzhiev EA. On the features of the fragmentation mecha-nisms of Sn and NaCl–Sn melts during steam explosion. High Temperature. 2025; 63(1):74–78. (In Russ.).
  11. Klimenko AV, Vavilov SN, Vasil’ev NV et al. Vapor explosions: experimental observations of the spontaneous triggering phase. Doklady physics. 2022;67(3):67–69. (In Russ.). DOI: 10.1134/S1028335822010025
  12. Vasil’ev NV, Vavilov SN, Lidzhiev EA.  Ex-perimental study of the possibility of occur-rence of a steam explosion at the initial stage of fragmentation of a melt stream. Thermal processes in engineering. 2024;16(9):420–427. (In Russ.).
  13. Kouraytem N, Li EQ, Thoroddsen ST. For-mation of mic-robeads during vapor explo-sions of Field's metal in water. Physical Re-view E. 2016;93(6). DOI: 10.1103/PhysRevE. 93.063108
  14. Whitaker S. Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tube bundles. AIChE jour-nal. 1972;18(2):361–371.
  15. Ivochkin YuP, Vavilov SN, Zeigarnik YuA et al. About lack of fragmentation for hot drop-lets at low subcooling of coolant. Thermo-physics and Aeromechanics. 2012;19: 429–434. (In Russ.). DOI: 10.1134/S0869864312030080
  16. Ciccarelli G, Frost DL. Fragmentation mech-anisms based on single drop steam explosion experiments using flash X-ray radiography. Nu-clear engineering and design. 1994; 146(1–3):109–132. DOI: 10.1016/0029-5493(94)90324-7
  17. Yakush SE, Sivakov NS. Numerical modeling of high-temperature melt droplet interaction with water. Annals of Nuclear Energy. 2023;185. DOI: 10.1016/j.anucene. 2023.109718
  18. Zhou Y, Zhang Z, Lin M et al. Numerical simulation of fragmentation of melt drop triggered by external pressure pulse in vapor explosions. Annals of Nuclear Energy. 2013;57:92–99. DOI: 10.1016/j.anucene.2013.01.045

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2026