Экспериментальное исследование триггеринга парового взрыва при распаде струи расплавленной соли

Полный текст

Взаимодействие высокотемпературных струй расплавов с водой, при котором с очень высокой скоростью происходит образование больших объемов пара, называется паровым взрывом [1–4]. Это потенциально крайне опасное явление возможно при авариях на атомных электростанциях, в металлургической и целлюлозно-бумажной промышленности и др. Обычно на первом этапе процесса парового взрыва (премиксинга) происходит гидродинамический распад струи расплавленного вещества на отдельные капли (с размерами ~1 см) [5]. Затем после резкого парообразования на одной из капель (триггеринга), спровоцированного, по всей видимости, локальным касанием воды и расплава в результате колебаний толщины паровой пленки, процесс распространяется на все соседние капли. В наших предыдущих работах [6, 7] с помощью высокоскоростной видеосъемки (метода, успешно используемого в исследованиях в данной области [8–11]) было впервые зафиксировано такое распространение парового взрыва между отдельными каплями расплава.

В работе [12] с помощью видеосъемки в определенных диапазонах чисел Рейнольдса и Онезорге были показаны режимы дробления жидкой струи в другой жидкости на крупные части с размерами порядка ее диаметра, сопровождающиеся отрывом небольших капель «сателлитов» с диаметром примерно на порядок ниже. На этих каплях-сателлитах потенциально более вероятен самопроизвольный триггеринг парового взрыва, который спровоцирует дальнейшее распространение процесса на соседние крупные фрагменты распада струи.

В настоящей работе представлены результаты экспериментального исследования с помощью высокоскоростной видеосъемки механизма распространения самопроизвольного триггеринга парового взрыва при распаде струи расплава соли NaCl в воде при режимах, сопровождающихся формированием капель-сателлитов. Эксперименты проводились на установке, подробно описанной в [6, 7]. Исследовался процесс парового взрыва при распаде струи расплава NaCl массой 5–6 г с температурой t_NaCl = 1000–1100°С, падающей в емкость с дистиллированной водой объемом 20 л с температурой t_в = 20–25°С с высоты примерно 70–80 мм. Диаметр отверстия для выхода струи из графитового тигля, в котором посредством индукционного нагрева производилось расплавление соли, составлял 4 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

Иллюстрация наблюдаемого в опытах процесса представлена на рис. 1 и видеосъемке из приложенного файла (с частотой кадров 77 кГц). На рис. 1 можно видеть момент распада струи расплава NaCl в воде на две крупные части (рис. 1а) с формированием капли-сателлита (отмечена белой стрелкой на рис. 1б). От момента погружения струи в воду до первого кадра на рис. 1 прошло ~85 мс. Диаметр капли-сателлита составил d_сат ≈ 0.43 мм, что соответствует примерно десятой части от диаметра струи (диаметр струи принимался равным диаметру отверстия тигля – 4 мм).

 

Рис. 1. Распространение парового взрыва при распаде струи расплавленной соли NaCl в воде (температура воды t_в = 23°С, температура соли в тигле t_NaCl = 1100°С, числа подобия для струи Re = 2070, Oh = 1.4 ∙ 10^–3). Время экспозиции – 4.5 мкс. Время от кадра момента распада струи (а): 1.11 мс (б); 1.87 (в); 1.99 (г); 2.02 (д); 2.03 (е); 2.05 (ж); 2.08 (з); 2.34 мс (и). Белой стрелкой обозначена капля-сателлит, образовавшаяся при распаде струи. Верхняя граница кадров соответствует уровню воды в емкости.

 

Числа подобия для струи в приведенном эксперименте имели значения: число Рейнольдса Re = 2070, число Онезорге Oh = 1.4 ∙ 10^–3, что по [12] соответствуют типичным режимам распада струи на крупные фрагменты с образованием капель-сателлитов. Расчет чисел подобия проводился по формулам: Re = ρvd/μ, Oh = μ/(ρσd)^0.5, где ρ, v, d, μ, σ – соответственно плотность, скорость, диаметр, коэффициент динамической вязкости и коэффициент поверхностного натяжения для струи расплава. Физические свойства расплава NaCl (ρ, σ) рассчитывались по формулам из [13]. Скорость движения струи оценивалась по кадрам видеосъемки и составила v = 0.4 м/с.

Описание типичного протекания процесса в проведенных экспериментах представлено ниже. Через небольшое время после распада струи (в эксперименте на рис. 1 это время составило ~1.5 мс) на капле-сателлите начинаются колебания толщины паровой пленки (более детально это можно увидеть на видео из приложенного файла) со скоростью порядка 10 м/с. Причем амплитуда и период (τ) с каждым последующим колебанием возрастают (табл. 1), что, по всей видимости, является следствием процесса постепенной фрагментации капли, ведущего к увеличению площади контакта расплава с водой. В качестве параметра амплитуды использовался максимальный диаметр капли (d_max), покрытой паровой оболочкой, за период колебания. Заметим, что колебания толщины паровой пленки на одиночных расплавленных каплях перед паровым взрывом отмечались также в [8, 14].

 

Таблица 1. Параметры последовательных колебаний толщины паровой пленки на капле-сателлите

Параметры	Первое колебание	Второе колебание	Третье колебание
dmax, мм	0.60	0.85	1.70
τ, мкс	40	65	140

 

На кадре (рис. 1в) представлен момент достижения каплей-сателлитом максимального диаметра во время третьего цикла колебаний толщины паровой пленки на ней. По-видимому, импульса давления в жидкости, сформированного вследствие резкого парообразования во время третьего цикла, оказалось достаточно для сначала локального контакта воды с расплавом на верхнем крупном фрагменте распавшейся струи (рис. 1г) и последующего распространения парового взрыва по всей его поверхности (рис. 1г–ж). Что затем спровоцировало аналогичные процессы на нижнем фрагменте (рис. 1е–з).

ВЫВОДЫ

В работе впервые с помощью высокоскоростной видеосъемки зафиксировано распространение парового взрыва на два крупных фрагмента распада расплавленной струи в результате импульса давления, спровоцированного самопроизвольным триггерингом на мелкой капле-сателлите (с размером на порядок ниже). Данный процесс наблюдался при типичных режимах распада струи на крупные части, сопровождающихся отрывом мелких капель, при определенных диапазонах чисел Re и Oh. Таким образом, показана возможность возникновения парового взрыва еще на начальном этапе первой стадии (премиксинга) принятой последовательности его развития.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-01062, https://rscf.ru/project/23-79-01062/.

Об авторах

Н. В. Васильев

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikvikvas@mail.ru
Россия, Москва; Москва

С. Н. Вавилов

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: sergeynv@mail.ru
Россия, Москва

Е. А. Лиджиев

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: lind722k@gmail.com
Россия, Москва; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы