ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 623-626
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 532.32
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ НА ПАРОВУЮ ПЛЕНКУ ПРИ ПЛЕНОЧНОМ КИПЕНИИ НЕДОГРЕТОЙ ВОДЫ
© 2015 г. А. М. Агальцов1, С. Н. Вавилов1, А. Н. Киреева12
1 Объединенный институт высоких температур РАН, Москва 2Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт"
E-mail: agaltsovam@gmail.com Поступило в редакцию 18.12.2014 г.
Экспериментально исследовано взаимодействие волн давления с паровой пленкой при пленочном кипении недогретой воды на поверхности твердых сфер. Обнаружено изменение внешнего вида межфазной поверхности под действием таких волн. Отмечена аналогия наблюдаемых явлений с явлениями, зафиксированными при отсутствии какого-либо внешнего влияния на процесс.
Б01: 10.7868/80040364415040018
ВВЕДЕНИЕ
В некоторых случаях при погружении высокотемпературного жидкого металла в недогретую до температуры насыщения воду устойчивое пленочное кипение сменяется фрагментацией расплава с одновременным образованием большого количества пара, что приводит к резкому повышению давления в системе. Описанное явление, называемое в литературе паровым взрывом, может стать причиной значительных экономических, экологических и человеческих потерь. На протяжении многих лет этот вопрос достаточно обширно освещался в открытой печати как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения [1—7]. Однако из-за сложности, многогранности и малых времен протекания процесса на сегодняшний день не существует исчерпывающего понимания причин возникновения и физики парового взрыва, а предложенные теории [1, 4] не могут дать объяснения всем наблюдаемым фактам.
Одним из возможных факторов, приводящих к фрагментации расплава, является наличие внешней волны давления в объеме жидкости [4—6]. Такое воздействие хоть и не объясняет возникновения парового взрыва в естественных условиях, но может быть механизмом распространения этого процесса в случае нескольких расплавленных объектов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Кроме этого, детальное понимание физики процесса взаимодействия волн давления с паровой пленкой необходимо для определения причины нарушения геометрической целостности расплава.
Настоящая работа посвящена исследованию воздействия внешней волны давления на паровую пленку при пленочном кипении недогретой воды и сопоставлению результатов с данными,
полученными в естественных условиях (без какого-либо воздействия). Для упрощения экспериментальной методики высокотемпературный расплав был заменен на твердую сферическую поверхность, что также использовалось в ряде других работ [3, 7]. Основой исследования является высокоскоростная видеосъемка как инструмент, позволяющий получить качественную картину процесса, необходимую для построения общей модели.
МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1. Емкость с недогретой дистиллированной водой 1 имела форму полого шестиконечного пространственного креста. Нижняя и одна боковая части емкости были заглушены и использовались как технологический резерв, верхняя часть была открыта; две противоположные боковые части были снабжены смотровыми окнами для проведения видеосъемки наблюдаемых процессов. Еще одна боковая часть имела удлинение, а на ее конце находился капсюль с взрывчатым веществом. Внутренний диаметр частей емкости был равен 62 мм, а расстояние от подрывного капсюля до исследуемого образца — 300 мм.
В качестве исследуемого образца использовались сферы из нержавеющей стали 2, переходящие в верхней области в шпильку, что позволяло закрепить ее на трубчатый зонд вертикального линейного подвижного устройства 3. Таким образом, сфера при достижении требуемой в конкретном эксперименте температуры могла перемещаться из зоны нагрева в емкость с недогретой
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — емкость с недогретой дистиллированной водой, 2 — сфера из нержавеющей стали, 3 — вертикальное линейное подвижное устройство, 4 — высокочастотная индукционная печь, 5 — высокоскоростная видеокамера, 6 — светодиодные фонари.
водой. Нагрев производился при помощи высокочастотной индукционной печи 4 в атмосфере воздуха.
Капсюль со взрывчатым веществом был изготовлен из латунной трубки диаметром 12 мм с припаянной медной мембраной толщиной 0.1 мм. Другая сторона этой трубки была заглушена. Через заглушку проходили два провода, соединенные внутри объема капсюля проволокой диаметром 0.05 мм, резкий нагрев которой при срабатывании замыкающего электрическую цепь ключа инициировал необходимый взрыв. Для измерения давления в объеме жидкости экспериментальная установка была оснащена датчиком фирмы PCB.
Съемка исследуемых процессов производилась с использованием высокоскоростной камеры 5 FASTCAM SA4 фирмы Photron с частотой 100 кГц, экспозицией 10-5 с, разрешением 256 х х 128 пикселей. В качестве подсветки были выбраны четыре светодиодных фонаря 6 (каждый по 1000 люмен).
Недогрев воды и начальная температура исследуемого образца измерялись при помощи хромель-копелевых термопар. Измерение температуры образца в процессе охлаждения на данном этапе не осуществлялось.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Во время погружения в воду нагретой до температуры 1000°С сферы вокруг нее образовывалась стабильная паровая пленка. Далее детонация взрывчатого вещества вызывала образование волны давления, которая двигалась по направлению к исследуемой области. Пример взаимодействия
такой волны с границей раздела жидкость—пар приведен на рис. 2. Видно, что через некоторое время после появления яркой вспышки слева (верхний кадр), соответствующей моменту детонации, со стороны заряда начинает возникать некоторое изменение внешнего вида паровой пленки (средний кадр). Это изменение распространялось со скоростью примерно 220 м/с и в итоге охватывало всю межфазную поверхность (нижний кадр). Можно сказать, что режим пленочного кипения сменялся неким новым режимом с ярко выраженными незначительными по высоте неровностями на границе раздела фаз, но внешне без контактов твердого тела с жидкостью.
Другая отличительная черта указанного режима — наличие пульсаций с амплитудами порядка характерной толщины паровой пленки, которые также распространялись со скоростью примерно 220 м/с. Эти пульсации изначально появлялись в различных ничем не выделенных местах и двигались по поверхности паровой пленки во всех без исключения направлениях, что указывает на слабое влияние как изменения давления, так и соответствующего спутного потока на их поведение.
На данном этапе исследования сложно сделать какие-то обоснованные выводы о физической картине наблюдаемых явлений, так как они обусловлены сложным сочетанием термогидродинамических процессов. Например, скорости распространения самого режима и характерных ему пульсаций паровой пленки в 2 и 7 раз меньше скорости звука в паре и воде соответственно.
На рис. 3 изображены характерные кадры видеосъемки, полученные в уточняющих экспериментах к работе [7] при естественном течении процесса, т.е. охлаждении сильно нагретой сферы
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ НА ПАРОВУЮ ПЛЕНКУ
625
Рис. 2. Характерные кадры воздействия волны давления с амплитудой 10 атм на паровую пленку (диаметр сферы — 25 мм, недогрев воды — 78°С, начальная температура сферы — 1000°С): верхний кадр — стабильное пленочное кипение, средний — распространение изменения внешнего вида паровой пленки, нижний — полный охват поверхности данным изменением.
в недогретой воде. Обращает на себя внимание тот факт, что оба процесса в общих чертах идентичны друг другу. Различными являются лишь скорость распространения нового режима и частота возникновения пульсаций на паровой пленке. Отличие заключается и в наличии паровых образований и газовых микропузырьков в отсутствие волны давления (в случае детонацион-
Рис. 3. Характерные кадры протекания процесса при естественных условиях (диаметр сферы — 11 мм, недогрев воды — 78°С, начальная температура сферы — 1000°С): описание аналогично рис. 2.
ного возмущения их отсутствие можно объяснить сильным спутным потоком при взрыве, который препятствует возникновению указанных явлений).
Таким образом, наличие детонации взрывчатого вещества рядом с охлаждаемой при пленочном режиме кипения сферой привело к аналогичному процессу, что и в случае отсутствия воздействия на пленку. Однако температура поверхности сферы при этом была примерно на 300°С выше, чем при отсутствии внешнего воздействия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено экспериментальное исследование взаимодействия волн давления с паровой пленкой при пленочном кипении недогретой воды на поверхности твердых сфер. Воздействие таких волн привело к изменению внешнего вида границы раздела фаз с появлением на ней быстро распространяющихся пульсаций. Отмечена аналогия наблюдаемых явлений с явлениями при естественном (без какого-либо вмешательства) охлаждении сильно нагретого тела в недогретой воде.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 14-08-31671 мол_а и № 14-08-31744 мол_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Fletcher D.F. Steam Explosion Triggering: A Review of Theoretical and Experimental Investigations // Nucl. Eng. Des. 1995. V. 155. № 1-2. P. 27.
2. Maruyama Y, Moriyama K, Nakamura H. Unit Sphere Concept for Macroscopic Triggering of Large-Scale
Vapor Explosions // J. Nucl. Sci. Technol. 2002. V 39. № 8. P. 854.
3. Григорьев В.С., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Глазков В.В., Синкевич О.А. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду // ТВТ. 2005. Т. 43. № 1. С. 100.
4. Мелихов В.И., Мелихов О.И. Распространение волны термической детонации в системе вода-кориум // Изв. РАН. МЖГ. 2000. № 4. C. 115.
5. Abe Y., Nariai H., Hamada Y. The Trigger Mechanism of Vapor Explosion // J. Nucl. Sci. Technol. 2002. V 39. № 8. P. 845.
6. Hansson R.C. Triggering and Energetics of a Single Drop Vapor Explosion: the Role of Entrapped Non-Condensable Gases Nuclear Science and Technology //
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.