Experimental studying of vapor explosion triggering during the breakup of a molten salt jet

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper presents an experimental study using high-speed video recording of the process of vapor explosion on a breakup jet of molten NaCl salt in water. The regimes of jet breakup into large parts, accompanied by the separation of small satellite droplets, have been studied. For the first time, the propagation of a vapor explosion on two large fragments of jet breakup due to spontaneous triggering of the process on a droplet-satellite was reproduced and recorded under laboratory conditions. The possibility of a vapor explosion occurring at the initial stage of the first stage of coarse crushing and mixing of the melt jet is shown.

Full Text

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 tNaCl = 1000–1100°С, падающей в емкость с дистиллированной водой объемом 20 л с температурой tв = 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 dсат ≈ 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 tв = 23°С, температура соли в тигле tNaCl = 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 (dmax), 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/.

×

About the authors

N. V. Vasil’ev

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; Bauman Moscow State Technical University (National Research University)

Author for correspondence.
Email: nikvikvas@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

S. N. Vavilov

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: sergeynv@mail.ru
Russian Federation, Moscow

E. A. Lidzhiev

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; Bauman Moscow State Technical University (National Research University)

Email: lind722k@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. 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. https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70185-0
  2. Berthoud G. Vapor explosions // Annu. Rev. Fluid Mech. 2000. V. 32. № 1. P. 573–611. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.32.1.573
  3. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Якуш С.Е. Термическое взаимодействие высокотемпературных расплавов с жидкостями // ТВТ. 2022. Т. 60. № 2. С. 280–318. https://doi.org/10.31857/S0040364422020284
  4. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Волков Г.Ю., Якуш С.Е., Салех Б. Моделирование струйного истечения жидкости в затопленное пространство методом VOF // Теплоэнергетика. 2023. № 1. C. 75–86. https://doi.org/10.56304/S0040363622120050
  5. Ивочкин Ю.П. Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами: дис. … докт. техн. наук. М.: ОИВТ РАН, 2015.
  6. Клименко А.В., Вавилов С.Н., Васильев Н.В., Зейгарник Ю.А., Скибин Д.А. Паровой взрыв: экспериментальные наблюдения стадии спонтанного триггеринга процесса // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2022. Т. 503. С. 13–16. https://doi.org/10.31857/S2686740022010084
  7. 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. https://doi.org/10.26583/sv.15.2.04
  8. Manickam L., Qiang G., Ma W., Bechta S. 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. https://doi.org/10.1080/08916152.2018.1505786
  9. Simons A., Bellemans I., Crivits T., Verbeken K. The effect of vapour formation and metal droplet temperature and mass on vapour explosion behavior // Int. J. Heat Mass Transf. 2022. V. 196. 123289. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123289
  10. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Эволюция формы последовательных каверн импакта свободно падающей капли // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2022. Т. 502. С. 36–44. https://doi.org/10.31857/S2686740021060055
  11. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Перенос вещества капли при формировании первичной каверны // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2023. Т. 508. С. 42–52. https://doi.org/10.31857/S2686740022060062
  12. 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. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.02.011
  13. Катышев С.Ф., Десятник В.Н. Плотность и поверхностное натяжение расплавов системы NaF–NaCl–ZrF4 // Атомная энергия. 1998. Т. 84. № 1. С. 61–64.
  14. Hansson R.C., Dinh T.N., Manickam L.T. A study of the effect of binary oxide materials in a single droplet vapor explosion // Nuclear Engineering and Design. 2013. V. 264. P. 168–175. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.02.017

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Propagation of a steam explosion during the disintegration of a jet of molten NaCl salt in water (water temperature tw = 23°C, salt temperature in the crucible tNaCl = 1100°C, jet similarity numbers Re = 2070, Oh = 1.4 ∙ 10–3). Exposure time is 4.5 μs. Time from the frame of the moment of jet disintegration (a): 1.11 ms (b); 1.87 (c); 1.99 (d); 2.02 (e); 2.03 (f); 2.05 (g); 2.08 (h); 2.34 ms (i). The white arrow indicates a satellite drop formed during the disintegration of the jet. The upper boundary of the frames corresponds to the water level in the container.

Download (392KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».