水流平行冲击和剧烈传热相变共同作用下熔融金属表面失稳及碎化机理研究

Abstract: Rapid fragmentation of high temperature melt after direct contact with coolant can induce steam explosion, which is one of the most important safety problems in nuclear power industry. The aim of this research is to study the heat and mass transfer process in bulk melt fragmentation phenomenon, namely investigate molten metal surface instability and fragmentation under the condition of coolant paralleled disturbance and intense boiling heat transfer. In order to overcome the deficiency of normal experiments which cannot obtain clear images of interface and temperature transient data, visual experiments on surface instability and fragmentation of melt with simplified one dimensional structure will be carried out to obtain the interface behavior and and heat transfer characteristics. A multi-phase flow and thermal hydraulic calculation code will be developed to simulate the interface behavior, temperature field and flow field, which will be used to reveal the physical mechanism of melt fragmentation. Based on experimental results and fragmentation mechanism, a molten metal fragmentation model under coolant paralleled disturbance condition will be developed to explain the reasons for its occurrence, and formulate suppression measures. The purpose of this project is to elucidate the high temperature melt surface instability and fragmentation rules. This study is of important practical value for steam explosion accurate prediction and suppression measure formulation.

高温熔融物与冷却剂接触后迅速碎化，诱发蒸汽爆炸是核能工业领域重要安全问题之一。本课题瞄准该过程中大块熔融物碎化这一关键现象，就其热质传递过程涵盖的科学问题，即水流平行冲击和传热相变共同作用下熔融物表面失稳及碎化特性展开研究。具体内容包括：完成在水流平行冲击和相变条件下，一维简化结构的高温熔融物碎化的可视化实验，突破传统直接模拟实验中界面、温度等关键瞬变参数难以有效观测的局限，掌握熔融物表面失稳碎化中界面行为和热量传递特性；建立熔融物碎化过程数值模拟方法，获得金属-汽-水的相界面、温场及流场特性，揭示熔融物碎化物理机制；基于实验现象和碎化机理，建立熔融物失稳碎化定量理论模型，解明其发生原因和抑制途径。本项目旨在阐明高温熔融物在外部冷却剂冲击下表面失稳碎化规律，为爆炸破坏力的准确预测以及抑制措施科学制定奠定理论和技术基础。

高温熔融物与冷却剂相互作用（Fuel-Coolant Interaction， FCI）是核电厂安全领域残存的不确定度高的严重安全事故问题之一。其过程是高温难挥发性熔融物与低温易挥发性冷却剂在相互作用下，熔融物急速碎化，并传递热量给水，从而产生高压蒸汽和冲击波，对周围结构造成巨大破坏。.熔融物与冷却剂相互作用过程中的一个共性问题是都涉及到冷却剂平行冲击下熔融物表面失稳与碎化现象。研究不同情况下熔融物表面受水流平行冲击下的失稳碎化特性，有助于我们对熔融物-水-蒸汽膜混合物区域进行更准确的预测，对提高蒸汽爆炸威力准确性和分析该情况下反应堆安全性和科学制定抑制策略具有重要意义。.基于此研究目标，本项目从微观角度出发，创新性的对熔融物与冷却剂接触界面进行抽象理解和一维化简化处理，开展了熔融金属表面受水平冷却剂冲击作用下的失稳及碎化的研究。对液态金属表面的失稳碎化过程中的关键现象，如界面，流动不稳定性波长和碎化颗粒尺寸及分布进行了实验和数值模拟分析。同时，开展了垂直注入条件下，高密度液态注入和低密度液体注入模式下射流的水力学碎化研究，分析了冷却剂平行冲击对射流碎化的影响。针对低密度射流垂直注入过程下射流穿透深度的参数影响进行了实验和数值模拟研究。针对高密度射流垂直注入过程中的碎化长度影响进行实验和数值模拟研究，并关注了水力学现象气体夹带和热力学现象凝固过程对射流受水平冲击下的失稳碎化的影响。 .本项目基于可视化实验研究和数值模拟理论研究，对熔融金属界面在平行冲击下的失稳碎化过程进行了准确描述，通过熔融池表面受水平冲击和射流垂直注入两大模式，分析了表面不稳定性模型，对构建熔融金属表面失稳碎化提供了重要数据和参考。