水滴与液态金属锡相互作用实验研究
张荣金，李延凯，周源，林萌，杨燕华
（上海交通大学核科学与工程学院，上海200240）
摘要：相对低温的水喷射进人高温液态金属池中与液态金属锡相互接触产生剧烈沸腾和蒸发，并可能导致蒸汽霉炸从面引发安全问题，为了研究不同热工参数对水滴与液态金属锡相互作用的影响，本研究采用高速摄像仪对水滴落入高湿熔融锡中相互作用过程进行了可视化研究，首先，对水滴在金属锡表面的蒸发时间进行了研究，探讨了不同金属温度条件下水演与金属锡表面传热机理.其次，引人无量钢 直径参数来定量水滴与熔融金属的反应剧烈程度，研究了水演下落速度和金属锡湿度对水滴与液态金属锡相互作用缴烈程度的影响，结果表明：最小膜态沸腾温度大约为210C左右.当金属超过270℃时，水滴与金属会发生激烈反应，随着金属温度和We数的增加，水演与熔融金属锯蒸汽爆炸激烈程度
美键调：可视化：热工参数：水演与熔融金属相互作用：蒸汽爆炸
中医分类号：TL3 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2015>03-0568-6
Experimental Study ofThermalInteractionbetween WaterDropletandMoltenTin
ZHANG Rong-jin L1 Yan-kai ZHOU Yuan LIN Meng YANG Yan-hua
(School of Nucler Science and Enginering Shanghai Jjiso Temg Uaivensty Shnghai 20240 China)
Abstract; To study the effeet of different parameters on thermal interaction betweenwater droplet and molten tin a high speed video camera is used to record the interactionbehaviors when a water droplet impinges into high temperature molten tin in a thin vessel. Firstly evaporation time about water droplet vaporization on the surface of tinwas carried out. The mechanism of heat transfer between water droplet and molten tinsurface was investigated. Then a dimensionless diameter parameter was introduced toquantify the severity of the thermal interaction between water droplet and molten tin. The effects of molten tin temperature and water droplet initial velocity on severity ofthermal interaction were discussed. The results shows that the minimum film boilingtemperature is about 210 °C. The interaction bees intensely when the tin temperature was
above 270 °C with the increase of mental temperature and We number the thermalinteraction between water droplet and molten tin bee more violent.
Key words; visualization; thermal parameters: water-molten metal thermal interaction;steam explosion
液态金属因具有低熔点、高沸点、良好的中子辐照特性以及良好的导热能力等特点，被很多新型反应堆作为冷却剂使用，如液态金属冷却的快中子增殖堆（快堆，Fastbreeder Reactor），加速器驱动的次临界反应堆系统（ADS，Accelerator Driver System）以及聚变反应堆，对于快堆和ADS，一回路的低压高温液态金属通过蒸发器将热量传递给二回路高压 低温水.在蒸发器传热管破裂事故（SGTR）中，高压低温水将以喷射的形式进人一回路，与大量的高温液态金属接触，可能发生剧烈沸腾应堆结构造成损坏. 和蒸发，引起冲击波、是动甚至蒸汽爆炸，对反
冷却水或蒸汽的混合物以喷射的形式进人渡态金属冷却剂熔融池中发生接触传热，可简称为 CCI（Coolant-Coolant Interaetions））展了一系列现象研究，包括熔融团块的破裂、熔 国内外学者们对熔融金属注人低温水模式已开融液滴与冷却剂的粗混合、熔融液滴的细粒化、膨胀爆炸等[5].
融金属锡相互作用可视化实验研究，并给出了基 KeijiMIYAZAKI等开展了低温水滴和熔于金属温度和水温的爆炸边界图，同时研究了韦伯数对爆炸边界的影响.MasahiroSHOJ等研究了不同人水速度和不同水低温度下，低温水滴在熔融金属锡中的爆炸过程，认为爆炸是因为 水滴周围汽膜場陷引起的，并认为水滴在熔融金属爆炸现象可用作解释熔融金属在水环境中爆炸触发过程，MFuruy等对低温水滴与不同熔融金属相互作用过程进行了可视化研究.
本文设计并建设水与熔融金属相互作用实验台，通过在扇平的反应腔室中开展单个低温水滴与高温熔融金属作用的可视化实验.改变水滴下落速度和熔融金属的温度，采用高速摄像系统来观察作用过程中熔融金属和低温水作 用过程，分析了热工参数对水滴与熔融金属锡相互作用激烈程度的影响.
1实验装置
实验装置和实验系统如图1所示，主要包括实验段、水箱、注水管和高速摄像系统等.实验 段为一个扁平的不锈钢制容器，尺寸为160×120×30mm，反应腔室高度为120mm，厚度为10mm，底部为半径25mm的半圆形结构.如图1所示，反应腔室由厚度为10mm石英玻璃 与环境进行隔离，以便实现可视化观察.注水管的内径为1mm，反应腔室由矩形加热薄片进行加热，保证反应腔室内部熔融金属温度分布均匀，加热薄片的功率为500W.本文采用高湿金点231.89℃，沸点2260℃，密度7125kg/m²， 属锡与水进行相互作用，常压条件下，金属锡熔比热容246J/（kgK），表面张力0.56N/m，热导率67W/mK.不与水发生化学反应，液态金属锡和水的温度采用J型热电偶进行测量，误 差为士1.5℃.考虑到相互作用时间短暂，本研究采用高速摄像系统（10000/s）来拍摄低温水滴与高温金属相互作用过程.
Fig. 1 Schemstic of experimental apparatus 图1实验装置和实验系统简图
2实验结果及分析
2.1金属锡与水作用传热区间
本文首先开展了常温水滴在金属锡表面上
加热蒸发实验，引人蒸发时间参数，蒸发时间即生燕汽爆炸，压力迅速升高产生压力脉冲，导致水滴从接触熔融金属锡时刻开始，至水滴完全部分熔融金属锡和少量水滴碎粒成放射状向四摄像仅所拍摄的图片中水滴进入金属液面到完 蒸发或者破碎消失所需的时间.通过分析高速全蒸干的图片获得了不同金属锡温度T条件下水滴蒸发所需时间，由于液滴蒸发所需受热量等于受热热流密度对时间的积分，若蒸发时间越短则受热热流密度越高，从面根据热流密 度的大小定性的判断不同金属温度阶段传热机
理，如图2所示.
Fig. 2 Evaporation times of water droplet 图2高温金属锡表面水滴蒸发时间on high temperature tin
金属温度在100~165C的区间为泡核沸腾区间，水滴在锡表面生成数个小汽泡，气泡逐新变大，水滴逐渐蒸发消失，随着金属温度的增加，泡核沸腾现象加剧，水滴的蒸发时间逐渐变 短.金属温度在165~210℃的区间为过渡沸腾区间，水滴不能平稳的停留在金属锡表面，而是上下跳跃，与金属表面间歇性接触，所以蒸发时间难以计算，因此未能在图中描绘出来.金 属温度超过210C的区间为膜态沸腾区间，最小膜态沸腾温度大约为210℃，这与KeijiMIYAZAKT的金属锡表面水膜态池腾实验得到的最小膜态沸腾温度为195C相当，在膜 态沸腾区间水滴始终保持画形，在金属表面缓慢逐渐蒸发，直径逐渐变小直至消失，膜态沸腾区间由于汽膜阻碍液态水与金属接触传热，虽然温度较高，但燕发时间明显大于泡核沸腾区间最低蒸发时间，爆炸沸腾是指水滴和熔融 金属锡接触后，部分没人锡液中，发生膜态沸D的变化情况，研究了热工参数对水滴与熔融腾.汽膜局部场陷，水滴与熔融金属锡直接接金属锡相互作用时发生蒸汽爆炸现象激烈程度触，换热急剧增加，随后因水滴吸热急剧汽化发的影响.
周飞溅而出，当金属温度超过270C时，金属 处于液态状态，会发生剧烈反应，此时水滴与熔融金属锡直接接触界面温度超过自发核化沸腾温度，其传热机理主要为自发核化沸腾，传热系数陡增，水滴与金属使可能发生剧烈反应，水滴在与熔融金属锡直接接触后发生碎化，其碎 化消失时间迅速减小至30ms左右.
2.2热工参数对蒸汽爆炸影响的研究
在水滴与熔融金属锡相互作用过程中，一般可以观察到三种现象，包括水滴弹性现象、 轻微反应现象和蒸汽爆炸现象.为了研究热工参数对蒸汽爆炸的影响，我们将熔融金属与冷却剂相互作用区域大小作为判断蒸汽度（h）和作用区域横向直径（D）两个参量，如 爆炸的激烈程度的依据.通过定义作用区域高图3所示.
图3作用区城高度和横向直径定义Fig. 3 Definition of center deformatiom height Hand horizontal interaction diameter D
由于蒸汽爆炸现象具有很强的随机性，为了获得相对准确的数据，对同一工况条件开展了多次实验，图4为金属温度T=310℃，水 湿Tw=26C，下落速度为V=1.45m/s的实验工况.图中无量纲直径D.为不同时刻作用区域横向直径与细粒化前水滴直径之比，即D.=D/D..不同数据点次数统计出的无量 纲直径D平均值.当数据点次数大于5个以后，平均值基本保持不变，因此在实验过程中每个水滴细粒化工况都至少做5逍，取平均值进行分析对比.
本文通过分析细粒化过程中作用区域直径
图4不同数据点数对D/D.影响Fig.4The effet on D/D due todifferent data number
2.2.1金属温度影响
图5所示水温为T.一25℃，初始下落速度分别为V-1.4m/s（对应的We为99）和V=2.3m/s（对应的We为255）工况，以水滴刚进入锡液面的时刻为0时刻，在25ms时刻 不同熔融金属温度下作用区域横向无量纲直径的实验数据.
图6不同金属温度条件下反应 (b)激烈程度图
Fig. 6Elfet of tin temperature on maxiuminteraetion dismeter at 25 ms（a）T=330C（b）T=376℃ （v-1.6m/snndT.=25℃）
图5金属温度对作用区域Fig.5 Interaction diameter at 25 ms of 无量钢直径的影响water droplet impingement with water temperature of 25
2.2.2无量纲Weber数
水滴在接触锡液前的冲击力对相互作用过以用Weber数来进行衡量（Miyazski，1984）， 程有着重要影响，下落速度造成的惯性影响可Weber数定义如下：
视化数据（V-1.4m/s.T.=25℃）. 图6为不同金属温度下水滴细粒化过程可
从所测得数据的平均值来看，熔融金属锡温度越高.25ms时刻对应的作用区城无量纲直径有逐渐增加的趋势，蒸汽膜場陷后，熔融 金属锡温度越高，熔融锡液与水滴温差越大，直接接触后换热越剧烈，造成作用区域膨胀越剧烈，蒸汽爆炸程度越激烈.
D为直径，上述都是水的参数. 其中：为表面张力：p为密度：V为下落速度；
图7为不同We数条件下水滴细粒化过程可视化实验数据（T=330℃、T.=26C）.
图7不同W条件下反应 激烈程度图
Fig. 7 Interaction dinsmeter at 25 ms of waterdroplet (25 C) impingement on a heated tin surface （330℃)（a）We-69（b） We=380
图8所示金属温度分别为T=350℃和T-370℃、水温为T.-26C，在25ms时 刻不同We条件下作用区域横向无量纲直径的实验数据.水滴下落速度越大，与熔融锡液接触后产生的冲击力越强，水滴在与锡液接触后变形越大，水滴呈现更为扁平状态，汽膜場陷 后，熔融锡液与水滴具有更大的直接接触面积，从而增强了换热，造成作用区域程度越剧烈，水滴与金属锡蒸汽爆炸越激烈.
结论
参考文献：
图8We对作用区域无量纲直径的影响interaction diameter at 25 ms (T_ Fig. 8 Effect of We on maximum330CandT.=25C）
属锡相互作用的可视化实验台，通过采用高速 本文设计与制作了一个水滴与高温熔融金摄像仪，对水滴落入熔融金属后相互作用过程进行了可视化实验研究.根据不同金属锡温度 条件下水滴蒸发所需时间，得出了不同金属温度阶段传热机理以及最小膜态沸腾温度大约为210℃.当金属温度超过270℃时，水滴与金属激烈反应，此时的传热机理是自发核化沸腾. 获得的水滴与熔融金属锡的传热机理有助于认识蒸汽爆炸现象本质.引入无量纲直径膨胀速度参数来定量水滴与熔融金属发生蒸汽爆炸的 激烈程度.随着金属温度和We数的增加，水滴与熔融金属锡反应剧烈程度增加，蒸汽爆炸更加激烈.
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