液态金属环境下喷射水接触传热特性研究

新一代快中子增殖反应堆和加速器驱动的次临界反应堆系统使用液态金属作为冷却剂，在预计发生的蒸发器传热管破裂事故中，相对低温的水会喷射进入高温液态金属池中相互接触产生剧烈沸腾和蒸发，可导致蒸汽爆炸引发安全问题，是国际上核工程领域研究前沿之一。本课题将改造已有的低温熔融金属蒸汽爆炸实验台，通过喷射水进入高温液态金属池中发生接触式传热的小规模实验，同时利用基于流体体积法的计算流体力学程序进行数值模拟，研究融池环境下伴随表面激烈蒸发的液态金属、水和蒸汽多相介质之间的运动及传热特性，探讨不稳定膜态沸腾导致的液滴细粒化及蒸汽爆炸的机理。本课题将开展的苛刻条件下伴随着瞬态传热、高速沸腾的复杂多相介质热物理基础研究，对进一步提高多相流研究水平有着重要的学术意义，同时可加深和扩展我们对于蒸汽爆炸机理的认识，为新型反应堆安全特性的研究打下一定理论基础。

新一代快中子增殖反应堆和加速器驱动的次临界反应堆系统使用液态金属作为冷却剂，在预计发生的蒸发器传热管破裂事故中，相对低温的水会喷射进入高温液态金属池中相互接触产生剧烈沸腾和蒸发，并可能导致蒸汽爆炸从而引发安全问题，该现象目前是国际上核工程领域研究前沿之一。本课题设计并搭建低温熔融金属蒸汽爆炸实验台，进行水滴注入高温液态金属池中发生接触式传热的小规模实验，通过参数测量以及可视化手段获得实验数据，研究融池环境下伴随表面激烈蒸发的液态金属、水和蒸汽多相介质之间的运动及传热特性，探讨不稳定膜态沸腾导致的液滴细粒化及蒸汽爆炸的机理。同时利用基于流体体积法的计算流体力学程序进行数值模拟，给出了熔融金属和水在相互作用过程中的场分布规律。研究结果表明：当金属温度超过270℃时，水滴细粒化现象发生的概率明显增加；随着金属温度和We数的增加，水滴与熔融金属反应剧烈程度增加；蒸汽膜塌陷导致金属与水进一步直接接触是水滴细粒化的主要原因，由此可能引发由传热面积急剧增加而导致的蒸汽爆炸现象；水滴的自发核化沸腾传热是其细粒化过程中产生大量蒸汽的主要原因。课题取得的实验结果和数值模拟结果有助于进一步分析熔融金属与水相互作用特性。