含氣溶膠豎直壁面冷凝液演化特性

孫慶洋, 谷海峰, 周艷民, 張智剛, 鄂鑫諾, 王效

(哈爾濱工程大學 核科學與技術學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

核電廠反應堆發生堆芯熔毀等嚴重事故時,大量的堆芯放射性物質會隨冷卻劑一起釋放并以氣溶膠的形式進入安全殼空間[1]。放射性氣溶膠在安全殼內以多種方式遷移,其中安全殼壁面或結構表面沉積氣溶膠顆粒受冷凝水的沖刷過程是氣溶膠遷移的重要組成部分之一,對放射性分布有重要影響[2]。在安全殼系統代碼COCOSYS中已有模型對冷凝水流沖刷氣溶膠過程進行模擬[3]。模型基于河流侵蝕原理開發[4],沉積氣溶膠顆粒在流動水剪切力作用下脫離壁面進而被沖刷遷移,壁面流動水演化發展及覆蓋面積是描述氣溶膠沖刷過程的關鍵,在模型中流動水流覆蓋率仍是一個用戶自定義值。

王方年等[5-6]建立了壁面上液滴、水流和液膜的冷凝水演化過程模型,模型考慮了液滴滑落特性、液滴向水流過渡,最終可以進行穩態水流覆蓋面積的計算,并進一步結合THAI-AW3實驗[7]進行了冷凝水流分布和沖刷特性的驗證。黃希等[8]評估了壁面沖刷氣溶膠的降膜水流模型,對水流形態、水流流量等流動特性進行了探究。在關于沖刷水流的演化特性分析及相關模型開發等方面,對于沖刷水流的演化特性分析及相關模型開發等方面的研究取得了一定的進展。然而在現有模型中,沉積顆粒對于凝液演化的影響并未得到考慮。在相關實驗研究中,研究人員對于冷凝環境壁面流動水的演化發展及其覆蓋面積的關注也不足,多數研究僅開展了冷態實驗。例如在THAI-AW3-LAB實驗中,研究人員以注水的方式模擬冷凝水流進行2°～30°傾斜壁面上氣溶膠沖刷可視化實驗[9],實驗結果對模型的驗證存在一定局限性。

環境中的氣溶膠顆粒可能以多種方式影響冷凝過程,例如沉積氣溶膠可能會改變壁面結構[10],是氣溶膠影響冷凝特性的主要潛在因素之一。李健等[11]對石英顆粒沉積表面的液滴潤濕特性進行了探究,實驗發現沉積表面的液滴接觸角受到了影響,且隨著顆粒沉積質量的增加,接觸角有顯著的減小。Zhao等[12]對進行表面潤濕特性特殊處理后的氧化硅片表面的冷凝液滴發展形態進行了觀察,隨著不同表面冷凝液滴接觸角的改變,液滴的發展形態有了顯著變化,如當接觸角為10°時,液滴極易鋪展成膜,但接觸角為70°的情況下,表面是穩定的滴狀凝結。Daniel等[13]對壁面結構進行改良,使得隨機的液滴合并過程變得有方向。顆粒沉積層可通過改變冷凝表面潤濕性能進而影響液滴的發展模式和凝液的演化特性。

可視化實驗是開展凝液演化特征研究的有效手段[14-15],在研究壁面冷凝水膜的流動特性時,利用可視化紅外光學技術測量液膜的厚度[16-17],研究中基于可視化的方式獲取液膜的覆蓋率[18]。本文設計搭建一套蒸汽環境可視化冷凝實驗平臺,開展了含氣溶膠沉積豎直壁面的冷凝液演化實驗。實驗通過可視化的方法對氣溶膠沖刷過程中的壁面冷凝水演化規律進行了分析,對水流數量、水流寬度及覆蓋面積等特征參數進行了測量評估。研究了不同冷凝速率、不同沉積密度工況對于凝液演化行為和水流覆蓋率的影響。

1 顆粒沉積壁面凝液演化

1.1 實驗裝置

圖1為開展豎直壁面凝液演化特性實驗系統原理簡圖,整體的實驗回路由冷凝實驗段、蒸汽供應回路、氣溶膠配送回路、冷卻水回路、最終熱阱回路等組成,并搭配以參數的測量及采集裝置。

圖1 顆粒沉積壁面凝液演化實驗系統Fig.1 Schematic diagram of experimental device for condensate evolution on particle deposition wall

冷凝實驗段是系統回路的主體,實驗段中進行冷凝的部分是尺寸為300 mm×1 000 mm的不銹鋼平板,平板一側為蒸汽腔室,與蒸汽供應回路相連用于建立蒸汽冷凝環境,另一側冷卻腔室與冷卻水回路相連為平板提供過冷度以實現持續的冷凝工況。為實現冷卻水回路流量及溫度的穩定調節,冷卻水回路設計為閉式循環回路,回路將蒸汽冷凝釋放的熱量傳遞給最終熱阱回路,并最終通過冷卻塔釋放到大氣空間以實現回路熱工參數的穩定。

隨著蒸汽冷凝及氣溶膠沖刷進行,凝液被實時收集可用于測量凝液量,同時可通過濾膜過濾的方式測量氣溶膠質量,蒸汽腔室上表面設置玻璃視窗和補光燈,采用相機拍攝獲取壁面冷凝液演化圖像。

1.2 實驗工況建立

豎直壁面的氣溶膠沉積工況于冷凝實驗開展前建立,通過高壓氣源和氣溶膠發生器向實驗段內供應氣溶膠,建立顆粒彌散沉積環境,獲取氣溶膠顆粒沉積壁面,在顆粒完全沉積后開展冷凝實驗。為避免實驗壁面外的區域沉積氣溶膠的影響,沉積環境建立后會打開腔室,在不破壞壁面沉積氣溶膠的前提下清理其他區域,以免除引入無關質量干擾沉積質量的評估,實驗后根據沖刷液內氣溶膠質量和清洗獲取的壁面剩余氣溶膠質量可獲取初始總的氣溶膠沉積質量密度。

壓水堆嚴重事故釋放的穩定氣溶膠團簇顆粒粒徑范圍估計為0.1～0.5 μm,且由金屬、金屬氧化物及多種化合物組成[19]。學者多采用金屬或金屬氧化物作為模擬氣溶膠,例如銀和二氧化鈦等[9,20,21]。結合文獻[22],實驗選用中值粒徑0.5 μm的二氧化鈦作為表征氣溶膠。如圖2所示,實驗研究采用壁面取樣的方式進行沉積均勻性的測試,壁面各處的沉積質量密度與平均密度的誤差在±20%以內。

圖2 沉積密度分布測試Fig.2 Test of deposition density distribution

壁面的冷凝速率是探究凝液演化特性實驗的重要參量之一,實驗設置冷凝腔室為常壓,通過調節蒸汽管路配送壓力控制蒸汽溫度及流量,壁面溫度則由循環冷卻水調節,進而實現不同冷凝速率的實驗。實驗中通過實時接取凝液質量的方式測量冷凝速率。圖3所示為實驗不同工況冷凝速率變化曲線,0 s時刻為壁面開始冷凝時刻,冷凝初期壁面凝液流處于發展階段,因此冷凝速率波動較大,在約40 s后進入穩態,可維持較為穩定的冷凝速率。

圖3 實驗冷凝速率隨時間變化Fig.3 Experimental condensation rate changes with time

冷凝初始階段為液滴長大階段,此時冷凝進行但液滴尚未滑落,冷凝液會在壁面積累。液滴滑落初始形成水流時,壁面前期積累的凝液會隨之流出,因此初始階段凝液量較大,隨著沖刷進行,積累凝液流出,流出的凝液量降至穩態,冷凝速率呈現出先高后低的變化趨勢。

1.3 實驗數據處理方法

實驗采用攝影機獲取凝液圖像,基于圖像可觀察凝液演化形態并分析其變化規律,同時可結合imageJ軟件對水流寬度、水流覆蓋面積等進行處理。壁面產生凝液后,白色二氧化鈦顆粒進入液相中,使得液滴和水流呈現白色并易于識別處理。圖4所示為實驗拍攝冷凝液圖像及軟件二值化處理后的圖像,結合數字圖像處理像素點可獲取水流寬度,凝水覆蓋面積份額ε為:

圖4 顆粒沉積壁面凝液演化實驗圖像和處理后圖像Fig.4 Experimental imageand processed imageof the condensate evolution on particle deposition wall

ε=AW/A

(1)

式中:AW表示凝水覆蓋區域面積;A表示實驗平板總面積。

1.4 水流參數不確定度分析

實驗圖像處理過程中,流動水面積份額的確定基于圖像劃分進行,在處理過程中面積邊界的識別會引人誤差。不同濕區份額所需處理像素格數量不同,引入誤差的不確定度也不同,實驗中處理的圖片分辨率為1 046×649,處理物理面積像素格數量在2萬～40萬,考慮可能引入的人為識別及選取誤差共±5個像素格,則可能引入的識別冷凝水面積份額不確定度約在8%以內。實驗圖像水流寬度像素格在10～15個,放大局部識別像素格選取誤差約在±2個像素格左右,因此水流寬度可能引入的不確定度在20%左右。

2 凝液演化實驗結果分析

2.1 冷凝液的演化過程

基于可視化實驗裝置可觀察豎直壁面的冷凝水的形成演化規律,實驗對含氣溶膠壁面冷凝水的演化過程進行了記錄,圖5所示為實驗獲取冷凝不同時間后壁面的凝液形態。通過圖像獲取的凝液演化規律,可將演化過程分為液滴生長、液滴滑落和水流發展等過程。以圖5所示為例,t=0 s為蒸汽通入實驗腔室的時刻,壁面為沉積的白色氣溶膠顆粒層。在0～5 s時間內,壁面逐漸有液滴產生,壁面處于液滴生長階段;當t=5 s時,壁面開始有冷凝液滴達到足夠體積后在重力的作用下滑落,由于壁面的所有冷凝液滴同時生長,因此到達一定時間后,壁面上許多的液滴就會先后或同時滑落;t=8 s時滑落液滴會聚并沿途的液滴并形成水流向下流動,隨著冷凝的進行,水流數量逐漸增多;最終隨著大量液滴的滑落,形成了大量的水流分布在壁面上(t=13 s),并進入到穩態流動階段。

圖5 壁面凝液流動隨時間變化圖像Fig.5 Image of condensate flow on the wall with time

實驗中凝水的演化過程看起來并不復雜,但它直接決定了最終壁面的凝液流動及分布特征。圖6(a)所示為穩態壁面的凝液分布形態,從圖像中可以將壁面分布的凝液分為水流(A)、液滴(B)和薄水膜(C)3個區域。在凝液演化過程中,滑落液滴發展形成了水流區,此時水流與水流之間區域會有一些還未滑落的液滴,該部分可稱為液滴區。該區域的液滴最終也會滑落,但區別于演化初期的滑落液滴,液滴區滑落的液滴顯然并沒有足夠的發展空間,而是會直接并入到水流區的凝液中。通過圖像觀察,除水流區和液滴區外,壁面剩余位置的凝液似乎以薄水膜的形式存在,薄水膜區域不會形成新的液滴,區域內產生的冷凝液會進入水流區被攜帶走。演化后的穩態凝液分布顯著影響了壁面氣溶膠的沖刷特性。圖6(b)所示為實驗結束后壁面剩余氣溶膠顆粒殘留的圖像。從圖中可以看出,水流區域的氣溶膠幾乎被水流沖刷干凈,液滴區域的氣溶膠也幾乎都伴隨液滴的流動離開壁面。相比之下,薄水膜區域除部分被下落液滴掃過的位置氣溶膠被沖刷,其余的區域均有明顯的白色氣溶膠顆粒留在壁面。由此可見壁面氣溶膠的沖刷規律與凝液演化后的水流分布特性密切相關。

圖6 穩態凝液區域分布Fig.6 Distribution of condensate region in steady state

2.2 冷凝和沉積環境對液滴生長時間的影響

蒸汽在壁面冷凝時首先會形成納米尺度的微小液滴[23],液滴的長大與滑落是豎直壁面凝液演化的初始階段,也是影響后續冷凝液演化行為及最終水流分布特性的關鍵。液滴的長大通過蒸汽冷凝和合并2種方式,當豎直表面液滴長大到一定尺寸時,液滴在重力的作用下,向下所受合力會超過反方向的阻力,進而促使液滴運動滑落。不同的環境因素可能會改變液滴的長大速度、滑落臨界液滴尺寸等,進而影響壁面凝液的演化特性。在含氣溶膠沉積壁面冷凝環境中,蒸汽的冷凝速率和壁面的顆粒沉積均是影響液滴的潛在重要因素。實驗中通過可視化的手段可以準確拍攝到壁面冷凝的開始(有液滴形成壁面顏色會顯著改變)和液滴的滑落,因此,本文對不同冷凝和沉積環境下液滴形成到滑落這一過程的液滴生長時間進行關注,進而評估冷凝和沉積顆粒對冷凝液滴的影響。

圖7所示為實驗中不同冷凝速率和不同沉積密度環境下液滴的生長時間分布圖。實驗中不同工況下的冷凝液滴生長時間范圍約為4～19 s,從結果可以看出,當沉積密度較高(>3 g/m2)或冷凝速率較高(>12 g/(m2·s))時,液滴長大所需時間均較少(4～6 s);當沉積密度和冷凝速率都降到較小時,液滴的長大受到2個環境因素共同影響,長大所需的時間會增加,最多達到19 s(沉積密度1.5 g/m2,冷凝速率2.5 g/(m2·s))。

圖7 不同工況條件下液滴長大時間t0Fig.7 Droplet growth time t0 under different experimental conditions

液滴下落頻率的快慢取決于液滴尺寸的增長速度和下落的臨界液滴尺寸。冷凝速率的增加會直接加快單個液滴的冷凝長大速度。在冷凝過程中,液滴之間的合并是主要的液滴尺寸增長方式[24]。因此從實驗結果可以預測,當冷凝速率增加到一定值,單個液滴的長大速度足夠大使得液滴間的合并頻率顯著加快,進而促使液滴尺寸增長速度明顯加快。當冷凝速率進一步加快時,若合并的頻率沒有進一步顯著提高,蒸汽液滴的生長時間變化并不顯著,因此,結果呈現出來隨著冷凝速率的變化,液滴長大呈現幾個不同的時間區域;另一方面氣溶膠沉積密度也呈現出了相同的變化規律,結果可能也與液滴間的合并頻率密切相關。不同于冷凝速率,沉積顆粒層改變了壁面的結構和液滴的特性,高沉積密度下液滴合并頻率更快,生長時間更短。

2.3 不同冷凝速率對水流演化特性的影響

進一步在較接近沉積密度條件下(0.98～2 g/m2)研究冷凝速率對水流的發展特性的影響,圖8(a)所示為不同冷凝速率下冷凝水流寬度發展隨著時間的變化。隨著冷凝水的發展,水流在流動過程中合并了沿途的液滴,水流寬度有增加的趨勢。同時,由于水流發展過程中高冷凝速率壁面形成的冷凝水更多,被合并進入到水流中的冷凝水更多,因此水流寬度更大。

圖8 不同冷凝速率條件下凝液參數Fig.8 Characteristic parameters of condensate under different condensation rates

除了水流寬度外,水流數量是另一個影響水流覆蓋面積及沖刷份額的重要參數。水流的產生源于液滴的滑落,如圖8(b)所示。實驗對比了不同冷凝速率下滑落液滴數量隨時間的變化。結果表明,高冷凝速率下的液滴頻率明顯加快,在7 g/(m2·s)冷凝速率下,約1.5 s時間便有30個滑落液滴,當冷凝速率降到2 g/(m2·s)時,便需要5.2 s。

液滴下落頻率的差異與液滴長大時間的變化密不可分,壁面各處冷凝液滴的長大隨機分布,當液滴長大時間短時,就會在短時間內有多個液滴達到臨界體積開始滑落,形成較高的液滴下落頻率。因此,結合不同冷凝工況的液滴長大時間(圖7),高冷凝速率下液滴的長大時間短,則液滴滑落頻率也高。

初始壁面上的液滴是水流形成的基礎,因此滑落的液滴對于演化水流特性有顯著的影響。如圖8(c)對比了不同冷凝速率下壁面穩態水流的數量隨水流發展長度的變化。結果表明,在發展初期高冷凝速率下的水流數量會更高,這與滑落液滴頻率高密切相關,隨著水流發展,由于高冷凝速率下的水流更寬,因此會有顯著的水流合并現象,因此水流數量減少。

2.4 不同沉積密度對水流演化特性的影響

沉積密度對于水流發展的影響同樣顯著, 實驗在接近的冷凝條件下(2.5～3.1 g/(m2·s))開展了不同沉積密度工況下的實驗研究,結果如圖9(a)所示。不同沉積密度下,滑落液滴發展水流的寬度變化的結果可以看出,隨著沉積密度的增加,水流寬度顯著減小。結合不同沉積密度工況下的液滴長大時間(圖7)可知高沉積密度下的凝液長大時間較短則下落較早,沿途聚合的冷凝水量更少,因此水流寬度較小且相比之下寬度增長并不明顯。

圖9 不同沉積密度條件下凝液參數Fig.9 Characteristic parameters of condensate under different deposition densities

另一方面,液滴在滑落前所需更短的長大時間也代表著液滴會有更高的下落頻率,如圖9(b)所示,高沉積密度下的液滴滑落頻率顯著提高,例如11.9 g/m2沉積工況下,大量液滴幾乎同時長大并滑落,在0.2 s內可以達到30個滑落液滴,說明沉積顆粒在改變液滴長大時間(圖7)的基礎上,對于液滴的下落頻率影響顯著。

圖9(c)進一步對比了穩態條件下壁面水流數量隨時間的變化情況,由于高沉積密度下的水流產生頻率很快且寬度較小,所以最終壁面形成水流數量也更多,同時由于水流數量多,發展到比較長的距離后,水流的合并比較也十分明顯,水流數量會隨之降低。

2.5 冷凝和沉積環境對水流覆蓋率的影響

冷凝速率和沉積密度會顯著影響冷凝水的長大和滑落,并進一步獲取不同特性的發展水流寬度和數量等參數。凝液演化過程的行為和特征參數的變化與水流最終的沖刷覆蓋面積密切相關,因此實驗進一步結合圖像處理獲得了不同冷凝速率和不同沉積密度下的水流覆蓋率變化如圖10所示。圖10(a)隨著壁面沉積密度的增加,水流的覆蓋率有顯著的增加趨勢,其中較高冷凝速率和較高沉積密度工況的影響均十分顯著。冷凝速率的增加,增加了壁面水流的寬度和數量,因此會提高水流覆蓋率;另一方面,壁面沉積密度的增加雖然會使得產生水流寬度更小,但會大幅度提高水流的數量,因此水流覆蓋面積同樣有增加的趨勢。

圖10 不同工況條件下水流覆蓋率對比Fig.10 Comparison of water flow coverage under different experimental conditions

3 結論

1)經過可視化實驗觀察,含氣溶膠顆粒的豎直壁面冷凝過程中,穩態冷凝水流和液滴是沖刷氣溶膠的主要區域。本文僅對水流區域發展特性進行了探究,液滴區域仍待后續進一步探索。

2)高冷凝速率環境下,豎直壁面液滴長大時間更短,促使液滴下落頻率更快、形成水流的寬度和數量增加。

3)高顆粒沉積密度環境下,豎直壁面液滴長大時間更短,并促使液滴下落頻率更快,水流數量顯著增加,但水流寬度更小。

4)結合圖像處理獲取了壁面水流面積份額,實驗結果在39%～63%,隨著冷凝速率和氣溶膠沉積密度的增加水流面積份額有明顯增加趨勢。本文研究結果可為嚴重事故后安全殼豎直壁面沉積的放射性氣溶膠再遷移的評估提供支持。