钠冷快堆液态钠雾化特性实验研究.pdf
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1、第58 卷第1期2024年1月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.1Jan.2024钠冷快堆液态钠雾化特性实验研究马瑶龙,张智刚*,魏小东,李泓兴(哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨150 0 0 1)摘要:液态钠泄漏和钠火事故是钠冷快堆中常见易发的事故之一,而液态钠的雾化特性是影响喷雾钠火的关键因素。为了研究液态钠的雾化特性及其影响因素,本文基于设计制造的一种液态钠雾化特性实验装置,进行了液态钠雾化特性实验研究。研究了液态钠在不同工况下的雾化特性,测量了不同工况下液态钠雾场的喷雾角及雾化钠滴的粒
2、径分布,并研究了压力(0.10.5MPa)、初始钠温(2 0 0 40 0)、泄漏高度(558 5cm)、泄漏边界形状(圆形,椭圆形,尖锐裂缝,粗糙裂缝)以及初始液态钠质量(2 0 150g)等因素对液态钠雾化特性的影响。该研究可为喷雾钠火的仿真和安全评估提供基础实验数据,能为钠火防控措施提供技术参考。关键词:液态钠;雾化特性;粒径分布;泄漏边界;喷雾角中图分类号:TL343doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0452Experimental Study on Atomization Characteristicof Liquid Sodium in Sodium-coo
3、led Fast ReactorMA Yaolong,ZHANG Zhigang*,WEI Xiaodong,LI Hongxing(Fundamental Science on Nuclear Sa fety and Simulation Technology Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin 15000l,China)Abstract:Liquid sodium leaks and sodium fire accidents are common occurrences duringthe operation of sodium
4、-cooled fast reactors and pose key and challenging issues in theirdevelopment.Of the different forms of sodium fire,spray sodium fire has the mostsevere consequences and is the primary threat to plant safety.The atomization charac-teristics of liquid sodium are a crucial factor affecting the spray s
5、odium fire.Studyingthese characteristics through experimental research could provide essential data forsimulating and evaluating the safety of spray sodium fires.In this paper,an experimen-tal visualization device that takes into consideration the material characteristics of liquidsodium was designe
6、d and constructed.In the experiments,the liquid sodium withvarying masses(20-150 g)and temperatures(200-400)w a s i n j e c t e d f r o m n o z z l e s o fdifferent shapes(round,oval,sharp crack,rough crack)at different heights(55-85 cm)using high-pressure nitrogen(0.1-0.5 MPa),generating sodium liq
7、uid sprays.文献标志码:A文章编号:10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 1-0 19 8-13收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 6;修回日期:2 0 2 3-0 8-30基金项目:国家自然科学基金(52 17 6 151);中央高校基本科研业务费(30 7 2 0 2 2 7 S1503)*通信作者:张智刚第1期The experimental phenomenon was noted and recorded.Finally,the sodium spray wascollected within a cooling tank filled with liquid
8、paraffin,which caused liquid droplets tosolidify into solid sodium particles.The size distributions of the liquid sodium dropletsin the spray field were inferred by measuring those of solid sodium particles.The studyanalyzed the effects of injection pressure,initial sodium mass and temperature,leaka
9、geheight,and leakage boundary shape on the liquid sodium spray characteristics.It isfound that the process of liquid sodium spray can be divided into three stages:thecolumn flow stage,the transition stage and the atomization stage.As the stages deve-lop,the liquid sodium spray angle will progressive
10、ly rise,reaching its peak during theatomization stage.The raising of leakage height and injection pressure causes increasedflow rate of liquid sodium resulting in intensified air disturbance for more atomized sodi-um flow,leading to a decrease in mass intermediate diameter of the sodium spray.Theato
11、mization characteristics of liquid sodium are greatly influenced by the leakage bounda-ry,and the mass intermediate diameter of the spray decreases approximately linearlywith the increase of the shape factor of the leakage boundary.Increasing the initialtemperature of liquid sodium may lead to a red
12、uction in its surface tension and viscosity,potentially promoting sodium flow atomization.However,such changes are likely to benegligible,thereby limiting the impact of the initial temperature on the atomizationcharacteristics within experimental conditions.The rise in sodium mass would result inan
13、elevation of the liquid level within the crucible,thereby reducing the impact ofhigh-pressure gas on the leakage end in the proximity of the nozzle.Consequently,theintermediate mass diameter of the spray will increase with the initial sodium mass.Thisresearch can provide fundamental experimental dat
14、a for the simulation and safety assess-ment of spray fires of liquid sodium and can provide technical references for sodium fireprevention and control measures.Key words:liquid sodium;atomization characteristic;particle size distribution;leakageboundary;spray angle液态钠泄漏钠火事故是钠冷快堆运行中的多发事故,是各发展快堆国家重视和关
15、注的重点和难点问题,且被列为快堆的设计基准事故之一。在多种形式钠火中,喷雾钠火后果最为严重,是反应堆安全的主要威胁。其中液态钠的雾化特性是影响喷雾钠火的关键因素,且可为喷雾钠火的仿真模拟和安全评价提供基础的实验数据,因此有必要对液态钠的雾化特性进行实验研究。国内外研究者对于喷雾钠火燃烧特性进行了实验与仿真研究。Tsail1I 编写了NACOM仿真程序,可以较好地模拟预测喷雾钠火的燃烧速率、空间压力和温度等参数。Saux等2 进行了多次大流量的喷雾钠火实验,研究了喷雾钠火导致的空间压力升高的影响因素,并开发马瑶龙等:钠冷快堆液态钠雾化特性实验研究199了PULSAR程序对喷雾钠火进行了仿真模拟。
16、杜海鸥等3 进行了多次喷雾钠火实验,并将实验结果与仿真程序FEUMIX的计算结果进行比较。然而国内外针对液态钠射流雾化特性的研究较少,实验研究数据较为缺乏。Nagai等幻在较低钠温(140)和钠冷快堆工作压力范围内,通过圆形等不同形状喷嘴开展了液态钠的雾化粒径分布测量实验研究。Wang等5 使用圆形喷嘴初步开展了液态钠喷雾实验,获取了钠滴的直径分布,并与NACOM程序的模拟结果进行了比较。王荣东等6 用水模拟液态钠进行了喷雾实验,并通过计算预测了液态钠喷雾的粒径分布。上述文献中针对雾化粒径分布的测量手段基本都是采用喷雾粒度仪进行测量,200Nagai等4 针对大液滴则是采用图像处理估算的方法。
17、上述两种方法均有一定的局限性,如成像法的分辨率不高,难以辨认过于细小的液滴,且对于液滴密度过高的区域并不适用;通过喷雾粒度仪来测量雾化场的粒径分布,该方法采用动态测量,通过线、面结合,实现了三维液滴粒径测量,虽很好地测量液滴粒径的分布,但所需专业设备的成本较高。为满足多样化钠滴测量研究的需要,本文根据液态钠的物质特性设计搭建一种液态钠雾化特性实验装置,采用将喷雾钠滴先固化再测量的方法,得到液态钠的雾化粒径分布特性相关参数,并研究喷射压力、初始钠温、泄漏高度以及泄漏边界形状等因素对液态钠雾化特性的影响。1实验1.1实验装置及过程液态钠雾化特性可视化实验装置如图1所示。该装置主要由液态金属射流系统
18、、环境气体系统、数据采集系统等部分组成。液态金属射流系统主要包含电加热圈、热电偶、加热控制器、密封、可更换喷嘴等部件,主要用于将金属钠加热至实验设定温度,保证钠射流顺利1-012抽真空56一1压力表;2 加压通气管道;3加热装置;4液态钠;5密封玻璃箱;6 高速摄像机;7钠滴固态颗粒;8 液态石蜡;9冷却槽;10手套孔;11可更换喷嘴;12 密封图1液态钠雾化特性可视化实验装置示意图Fig.1 Diagram of experimental visualization devicefor liquid sodium atomization characteristic原子能科学技术第58 卷生
19、成。本研究中,设计了圆形、椭圆形、尖锐裂缝和粗糙裂缝等不同形状的泄漏边界,如图2所示。其中圆形喷嘴的直径为1 mm,其他 3种不同形状喷嘴的出口截面积与圆形喷嘴基本相等。通过更换不同的喷嘴,来研究液态钠泄漏边界的几何形状对液态钠雾化特性的影响。环境气体系统由有机玻璃箱、高纯氮气等组成。透明的箱体可为实验提供密封的惰性环境,并为实验现象可视化提供条件;高纯氮气用于提供液态钠喷射所需的压力和环境保护气体。实验数据采集系统包括高速摄像机、冷却槽、压力表、流量计、氧浓度仪、湿度仪、分样筛以及电子天平等。高速摄像机用于记录实验现象,包括液态钠喷射后在空中的形态变化、破碎过程以及喷雾角度等;冷却槽为方形有
20、机玻璃槽,用于盛装液态石蜡以冷却并收集落入其中的钠滴。然后使用分样筛将收集到的钠颗粒根据粒径大小进行筛分,从最小0.0 4mm到最大1mm分为13组,并通过电子天平称量记录各组质量。圆形椭圆形图2 射流喷嘴的泄漏边界示意图?-N2Fig.2Schematic diagramof leakage boundary of jet nozzle1.2实验工况411尖锐裂缝粗糙裂缝本实验旨在研究初始钠温、喷射压力、泄漏高度和泄漏边界等因素对于液态钠雾化特性的10影响。本实验中初始液态钠质量为2 0 150 g;初始钠温为2 0 0 40 0;喷射压力为0.10.5MPa;泄漏高度设为55、7 0 和8
21、 5cm。在不9同初始工况下进行液态钠喷雾实验,并观察研87究其雾化特性。具体实验工况列于表1。2实验现象及数据分析2.1实实验现象及雾化机理分析通过有机玻璃能够观察到钠在喷射过程中的实验现象。图3示出实验中液态钠喷雾的发展过程,可以发现各组实验中的液态钠喷射过程均可分为3个阶段。第1期实验组别123456789101112131415161718马瑶龙等:钠冷快堆液态钠雾化特性实验研究初始钠温/喷射压力/MPa3000.33000.33000.33000.13000.23000.33000.43000.53000.33000.32000.32500.33000.33500.34000.330
22、00.33000.33000.3201表1实验初始工况Table 1Initial experimental condition泄漏高度/m858585858585858555708585858585858585泄漏边界形状圆形椭圆形尖锐裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝粗糙裂缝初始钠质量/g20202020202020202020202020202050100150周围出现少量飞溅的钠滴,柱状钠流在下落约55cm后液柱开始出现破碎现象。这一阶段的持续时间会随着初始钠质量的增加而延长。2)转变阶段18.8柱状流阶
23、段转变阶段雾化阶段泄漏边界为粗糙裂缝,初始钠温为30 0,喷射压力为0.3MPa,泄漏高度为8 5cm图3液态钠喷雾发展过程Fig.3Development process of liquid sodium spray1)柱状流阶段液态钠流刚从喷嘴喷出时会先形成少量喷雾,随后以柱状流的形式从喷嘴喷出,在柱状流即液态钠流从柱状流向喷雾转变的过渡阶段。该阶段中随着喷射的进行,埚中的液态钠逐渐减少、液钠高度降低,高压气体会有少量穿透液体层,夹带着钠流一起从喷嘴喷出,出口处的流态从纯液态转变为两相流动,液柱在气流的扰动下出现了破碎现象,不均匀地分裂成多条细流,开始形成喷雾角并逐渐增大。这一阶段在各组实
24、验中均只出现了极短的时间。3)雾化阶段该阶段中内的液态钠质量随喷射进一步减小,出口处两相流中的气体比例增加,钠流在喷嘴出口处会出现完全雾化现象,形成了较为均匀的钠喷雾,喷雾角在该阶段增长到最大,基本保持不变。这一阶段各组喷雾实验的持续202时间较为接近。柱状流混合钠火燃烧实验7-9 中,同样是通过高压氮气将液态钠从喷嘴中喷出。经分析比较,可发现柱状流混合钠火燃烧实验中的液态钠流动与上述实验现象相符合。在钠火实验中,液态钠喷射后不久会出现一次爆燃,这是由于钠流在喷出喷嘴时会先出现少量雾化且环境中氧浓度较高。之后钠火实验中钠流的流动形式与本实验中的现象相同,以柱状流的形式落下并燃烧。一般的射流流动
25、可大致分为4种不同的破裂状态10 1:1)瑞利状态,液滴直径大于射流直径,破裂发生在喷嘴下游较远处;2)第一风致状态,水滴的直径与射流直径接近,破裂同样发生在喷嘴下游较远处;3)第二风致状态,液滴尺寸小于射流直径,破裂从喷嘴下游较近处开始;4)雾化状态,液滴尺寸远小于射流直径,破裂从喷嘴出口开始。射流流动的破裂状态是由流体表面张力、流体惯性及空气动力等因素共同作用下形成的,可以通过计算液态钠流的韦伯数(We)这一无量纲数来判断钠流的破裂状态,其定义是作用在钠流上的惯性力和表面张力效应之比1-12 :We=Q&u*D式中:pg为钠流周围气体的密度;为钠流速表2 不同工况下液态钠射流在柱状流阶段的
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