Экспериментальное исследование распространения парового взрыва после самопроизвольного триггеринга на расплавленных каплях соли и олова

Аннотация

Явление парового взрыва (взрывного вскипания низкокипящей жидкости при погружении в нее сильно нагретого расплава) может возникать при авариях в некоторых существующих и перспективных технологических процессах --- на атомных электростанциях, в металлургии, при производстве целлюлозы. Приведены результаты экспериментального исследования наименее изученных стадий процесса парового взрыва --- триггеринга (инициирования) и тонкой фрагментации расплава. В качестве материалов расплавов использованы поваренная соль NaCl и олово Sn. Использование капель расплава соли обусловлено практически "гарантированной" реализацией самопроизвольного триггеринга, что позволяло приблизить условия эксперимента к реальным по сравнению с применяемым в большинстве исследований(принудительным) триггерингом. Показано, что при взаимодействии нескольких капель расплава соли с водой самопроизвольный триггеринг (микровзрывное вскипание холодной жидкости), произошедший на одной капле, вызывал "цепную реакцию" микропаровых взрывов на соседних каплях. Аналогичная "цепная реакция" микровзрывов имеет место и от капель соли к каплям олова (вероятность самопроизвольного триггеринга расплавленных капель олова в воде весьма низка). В качестве основного инструмента исследования ввиду быстротечности (десятки--сотни мкс) изучаемых процессов использована высокоскоростная видеосъемка с частотой кадров до 180 кГц и временем экспозиции до 2 мкс

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (госзадание № 075-01129-23-00)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Васильев Н.В., Вавилов С.Н., Зейгарник Ю.А. Экспериментальное исследование распространения парового взрыва после самопроизвольного триггеринга на расплавленных каплях соли и олова. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 6 (111), с. 25--38. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-6-25-38

Литература

[1] Fletcher D.F., Theofanous T.G. Heat transfer and fluid dynamic aspects of explosive melt--water interactions. Adv. Heat Transf., 1997, vol. 29, pp. 129--213. DOI: https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70185-0

[2] Meignen R., Raverdy B., Buck M., et al. Status of steam explosion understanding and modelling. Ann. Nucl. Energy, 2014, vol. 74, pp. 125--133. DOI: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.07.008

[3] Shen P., Zhou W., Cassiaut-Louis N., et al. Corium behavior and steam explosion risks: a review of experiments. Ann. Nucl. Energy, 2018, vol. 121, pp. 162--176. DOI: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2018.07.029

[4] Simons A., Bellemans I., Crivits T., et al. Heat transfer considerations on the spontaneous triggering of vapor explosions --- a review. Metals, 2021, vol. 11, iss. 1, art. 55. DOI: https://doi.org/10.3390/met11010055

[5] Мелихов В.И., Мелихов О.И., Якуш С.Е. Термическое взаимодействие высокотемпературных расплавов с жидкостями. ТВТ, 2022, т. 60, № 2, c. 280--318.

[6] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V., Varaksin A.Yu. The adaptive composite block-structured grid calculation of the gas-dynamic characteristics of an aircraft moving in a gas environment. Mathematics, 2022, vol. 10, iss. 12, art. 2130. DOI: https://doi.org/10.3390/math10122130

[7] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V., Varaksin A.Yu. Calculation of heat transfer and drag coefficients for aircraft geometric models. Appl. Sci., 2022, vol. 12, iss. 21, art. 11011. DOI: https://doi.org/10.3390/app122111011

[8] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V., Starostin A.V. Development of a mathematical model and the numerical solution method in a combined impact scheme for MIF target. Rus. J. Nonlin. Dyn., 2020, vol. 16, no. 2, pp. 325--341. DOI: https://doi.org/10.20537/nd200207

[9] Ивочкин Ю.П., Зейгарник Ю.А., Кубриков К.Г. Механизмы тонкой фрагментации горячего расплава, погруженного в холодную воду. Теплоэнергетика, 2018, № 7, c. 64--75. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040363618070020

[10] Kim B., Corradini M.L. Modeling of small-scale single droplet fuel/coolant interactions. Nucl. Sci. Eng., 1988, vol. 98, iss. 1, pp. 16--28. DOI: https://doi.org/10.13182/NSE88-A23522

[11] Cronenberg A.W., Chawla T.C., Fauske H.K. A thermal stress mechanism for the fragmentation of molten UO2 upon contact with sodium coolant. Nucl. Eng. Des., 1974, vol. 30, iss. 3, pp. 433--443. DOI: https://doi.org/10.1016/0029-5493(74)90228-3

[12] Kazimi M.S., Autruffe M.I. On the mechanism for hydrodynamic fragmentation. Trans. Am. Nucl. Soc., 1978, vol. 30, pp. 366--367.

[13] Dullforce T.E., Buchanan D.J., Perckover R.S. Self-triggering of small-scale fuel-coolant interactions: I. Experiments. J. Phys. D: Appl. Phys., 1974, vol. 9, no. 9, pp. 1295--1303. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/9/9/006

[14] Wang C., Wang C., Chen B., et al. Fragmentation regimes during the thermal interaction between molten tin droplet and cooling water. Int. J. Heat Mass Transf., 2021, vol. 166, art. 120782. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120782

[15] Park H.S., Hansson R.C., Sehgal B.R. Fine fragmentation of molten droplet in highly subcooled water due to vapor explosion observed by X-ray radiography. Exp. Therm. Fluid Sci., 2005, vol. 29, iss. 3, pp. 351--361. DOI: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2004.05.013

[16] Zyszkowski W. Study of the thermal explosion phenomenon in molten copper --- water system. Int. J. Heat Mass Transf., 1976, vol. 19, iss. 8, pp. 849--868. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(76)90197-6

[17] Song J., Wang C., Chen B., et al. Phenomena and mechanism of molten copper column interaction with water. Acta Mech., 2020, vol. 231, no. 6, pp. 2369--2380. DOI: https://doi.org/10.1007/s00707-020-02667-x

[18] Hansson R.C., Dinh T.N., Manickam L.T. A study of the effect of binary oxide materials in a single droplet vapor explosion. Nucl. Eng. Des., 2013, vol. 264, pp. 168--175. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.02.017

[19] Manickam L., Qiang G., Ma W., et al. An experimental study on the intense heat transfer and phase change during melt and water interactions. Exp. Heat Transf., 2019, vol. 32, iss. 3, pp. 251--266. DOI: https://doi.org/10.1080/08916152.2018.1505786

[20] Вавилов С.Н., Васильев Н.В., Зейгарник Ю.А. Паровой взрыв: экспериментальные наблюдения. Теплоэнергетика, 2022, № 1, c. 78--84. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040363621110072

[21] Григорьев В.С., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А. и др. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду. ТВТ, 2005,т. 43, № 1, c. 100--114.