鈉冷快堆液態鈉霧化特性實驗研究

馬瑤龍,張智剛,魏小東,李泓興

(哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001)

液態鈉泄漏鈉火事故是鈉冷快堆運行中的多發事故,是各發展快堆國家重視和關注的重點和難點問題,且被列為快堆的設計基準事故之一。在多種形式鈉火中,噴霧鈉火后果最為嚴重,是反應堆安全的主要威脅。其中液態鈉的霧化特性是影響噴霧鈉火的關鍵因素,且可為噴霧鈉火的仿真模擬和安全評價提供基礎的實驗數據,因此有必要對液態鈉的霧化特性進行實驗研究。

國內外研究者對于噴霧鈉火燃燒特性進行了實驗與仿真研究。Tsai[1]編寫了NACOM仿真程序,可以較好地模擬預測噴霧鈉火的燃燒速率、空間壓力和溫度等參數。Saux等[2]進行了多次大流量的噴霧鈉火實驗,研究了噴霧鈉火導致的空間壓力升高的影響因素,并開發了PULSAR程序對噴霧鈉火進行了仿真模擬。杜海鷗等[3]進行了多次噴霧鈉火實驗,并將實驗結果與仿真程序FEUMIX的計算結果進行比較。

然而國內外針對液態鈉射流霧化特性的研究較少,實驗研究數據較為缺乏。Nagai等[4]在較低鈉溫(140 ℃)和鈉冷快堆工作壓力范圍內,通過圓形等不同形狀噴嘴開展了液態鈉的霧化粒徑分布測量實驗研究。Wang等[5]使用圓形噴嘴初步開展了液態鈉噴霧實驗,獲取了鈉滴的直徑分布,并與NACOM程序的模擬結果進行了比較。王榮東等[6]用水模擬液態鈉進行了噴霧實驗,并通過計算預測了液態鈉噴霧的粒徑分布。上述文獻中針對霧化粒徑分布的測量手段基本都是采用噴霧粒度儀進行測量,Nagai等[4]針對大液滴則是采用圖像處理估算的方法。上述兩種方法均有一定的局限性,如成像法的分辨率不高,難以辨認過于細小的液滴,且對于液滴密度過高的區域并不適用;通過噴霧粒度儀來測量霧化場的粒徑分布,該方法采用動態測量,通過線、面結合,實現了三維液滴粒徑測量,雖很好地測量液滴粒徑的分布,但所需專業設備的成本較高。

為滿足多樣化鈉滴測量研究的需要,本文根據液態鈉的物質特性設計搭建一種液態鈉霧化特性實驗裝置,采用將噴霧鈉滴先固化再測量的方法,得到液態鈉的霧化粒徑分布特性相關參數,并研究噴射壓力、初始鈉溫、泄漏高度以及泄漏邊界形狀等因素對液態鈉霧化特性的影響。

1 實驗

1.1 實驗裝置及過程

液態鈉霧化特性可視化實驗裝置如圖1所示。該裝置主要由液態金屬射流系統、環境氣體系統、數據采集系統等部分組成。液態金屬射流系統主要包含電加熱圈、熱電偶、加熱控制器、密封坩堝、可更換噴嘴等部件,主要用于將金屬鈉加熱至實驗設定溫度,保證鈉射流順利生成。本研究中,設計了圓形、橢圓形、尖銳裂縫和粗糙裂縫等不同形狀的泄漏邊界,如圖2所示。其中圓形噴嘴的直徑為1 mm,其他3種不同形狀噴嘴的出口截面積與圓形噴嘴基本相等。通過更換不同的噴嘴,來研究液態鈉泄漏邊界的幾何形狀對液態鈉霧化特性的影響。環境氣體系統由有機玻璃箱、高純氮氣等組成。透明的箱體可為實驗提供密封的惰性環境,并為實驗現象可視化提供條件;高純氮氣用于提供液態鈉噴射所需的壓力和環境保護氣體。實驗數據采集系統包括高速攝像機、冷卻槽、壓力表、流量計、氧濃度儀、濕度儀、分樣篩以及電子天平等。高速攝像機用于記錄實驗現象,包括液態鈉噴射后在空中的形態變化、破碎過程以及噴霧角度等;冷卻槽為方形有機玻璃槽,用于盛裝液態石蠟以冷卻并收集落入其中的鈉滴。然后使用分樣篩將收集到的鈉顆粒根據粒徑大小進行篩分,從最小0.04 mm到最大1 mm分為13組,并通過電子天平稱量記錄各組質量。

圖2 射流噴嘴的泄漏邊界示意圖Fig.2 Schematic diagram of leakage boundary of jet nozzle

1.2 實驗工況

本實驗旨在研究初始鈉溫、噴射壓力、泄漏高度和泄漏邊界等因素對于液態鈉霧化特性的影響。本實驗中初始液態鈉質量為20～150 g;初始鈉溫為200～400 ℃;噴射壓力為0.1～0.5 MPa;泄漏高度設為55、70和85 cm。在不同初始工況下進行液態鈉噴霧實驗,并觀察研究其霧化特性。具體實驗工況列于表1。

表1 實驗初始工況Table 1 Initial experimental condition

2 實驗現象及數據分析

2.1 實驗現象及霧化機理分析

通過有機玻璃能夠觀察到鈉在噴射過程中的實驗現象。圖3示出實驗中液態鈉噴霧的發展過程,可以發現各組實驗中的液態鈉噴射過程均可分為3個階段。

泄漏邊界為粗糙裂縫,初始鈉溫為300 ℃,噴射壓力為0.3 MPa,泄漏高度為85 cm圖3 液態鈉噴霧發展過程Fig.3 Development process of liquid sodium spray

1) 柱狀流階段

液態鈉流剛從噴嘴噴出時會先形成少量噴霧,隨后以柱狀流的形式從噴嘴噴出,在柱狀流周圍出現少量飛濺的鈉滴,柱狀鈉流在下落約55 cm后液柱開始出現破碎現象。這一階段的持續時間會隨著初始鈉質量的增加而延長。

2) 轉變階段

即液態鈉流從柱狀流向噴霧轉變的過渡階段。該階段中隨著噴射的進行,坩堝中的液態鈉逐漸減少、液鈉高度降低,高壓氣體會有少量穿透液體層,夾帶著鈉流一起從噴嘴噴出,出口處的流態從純液態轉變為兩相流動,液柱在氣流的擾動下出現了破碎現象,不均勻地分裂成多條細流,開始形成噴霧角并逐漸增大。這一階段在各組實驗中均只出現了極短的時間。

3) 霧化階段

該階段中坩堝內的液態鈉質量隨噴射進一步減小,出口處兩相流中的氣體比例增加,鈉流在噴嘴出口處會出現完全霧化現象,形成了較為均勻的鈉噴霧,噴霧角在該階段增長到最大,基本保持不變。這一階段各組噴霧實驗的持續時間較為接近。

柱狀流混合鈉火燃燒實驗[7-9]中,同樣是通過高壓氮氣將液態鈉從噴嘴中噴出。經分析比較,可發現柱狀流混合鈉火燃燒實驗中的液態鈉流動與上述實驗現象相符合。在鈉火實驗中,液態鈉噴射后不久會出現一次爆燃,這是由于鈉流在噴出噴嘴時會先出現少量霧化且環境中氧濃度較高。之后鈉火實驗中鈉流的流動形式與本實驗中的現象相同,以柱狀流的形式落下并燃燒。

一般的射流流動可大致分為4種不同的破裂狀態[10]:1) 瑞利狀態,液滴直徑大于射流直徑,破裂發生在噴嘴下游較遠處;2) 第一風致狀態,水滴的直徑與射流直徑接近,破裂同樣發生在噴嘴下游較遠處;3) 第二風致狀態,液滴尺寸小于射流直徑,破裂從噴嘴下游較近處開始;4) 霧化狀態,液滴尺寸遠小于射流直徑,破裂從噴嘴出口開始。射流流動的破裂狀態是由流體表面張力、流體慣性及空氣動力等因素共同作用下形成的,可以通過計算液態鈉流的韋伯數(We)這一無量綱數來判斷鈉流的破裂狀態,其定義是作用在鈉流上的慣性力和表面張力效應之比[11-12]:

(1)

式中:ρg為鈉流周圍氣體的密度;v為鈉流速度;D為噴嘴的水力直徑;σ為液態鈉的表面張力。

液態鈉通過噴嘴時的速度v可用下式[13]計算:

(2)

式中:pa、pb分別為坩堝內外的壓力;ρl為通過噴嘴的液態鈉密度;CD為噴嘴的流量系數,其數值與噴嘴形狀有關[14]。

不同破碎狀態下對應的韋伯數分別為:

(3)

經計算,液態鈉在不同工況下通過各形狀噴嘴時柱狀流階段的韋伯數列于表2。由表2可知,在實驗工況下,液態鈉射流在開始噴射時的We范圍在0.917～9.704之間,均屬于第一風致狀態。因此液態鈉在噴出噴嘴后會以柱狀流的形式下落,在距噴嘴很長的距離后才開始破碎成液滴;之后隨著液態鈉流速度增加,We增大,液態鈉流表面的不穩定波會逐漸增幅從而破碎成幾股細流,進入轉變階段;隨著噴射進行,鈉流的流速進一步增加,流動狀態會逐漸轉變為噴霧狀態,直至噴射結束。

表2 不同工況下液態鈉射流在柱狀流階段的韋伯數Table 2 We of liquid sodium jet at columnar flow stage under different conditions

2.2 噴霧角的影響因素

液態鈉噴射過程在不同的實驗工況中均會經歷以上3個階段,但不同工況下霧化階段的噴霧角有明顯區別。圖4示出不同噴射壓力下液態鈉霧化階段的噴霧角度。由圖4可看出,液態鈉的噴霧角隨著噴射壓力的增加而顯著增大。這是由于在霧化階段,射流在出口處會受到軸向噴射力、切向力以及離心力的共同作用,形成中空漸擴的圓錐膜狀流動,在外部霧化力的作用下(噴射流本身的脈動和不穩定性、空間介質的阻力、振動等因素),噴射錐膜會發生破碎,并在液體表面張力的作用下形成細小的球形液滴分散流動,形成霧化。而液體的噴霧角α可由霧滴在噴嘴出口處的水平分速度ux和軸向分速度uy之比確定[15],即:

泄漏邊界為粗糙裂縫,初始鈉溫為300 ℃,泄漏高度為85 cm,初始鈉質量為20 g圖4 不同噴射壓力下液態鈉射流在霧化階段的噴霧角Fig.4 Spray angle of liquid sodium jet at atomization stage under different injection pressures

tg(α/2)=ux/uy

(4)

當流體流經噴嘴時,由于受到其幾何形狀的限制,流體會受到一定的阻力,導致流體內部形成速度與壓力差,從而產生旋轉流動。在實驗工況0.1～0.5 MPa范圍內,噴射壓力越大,出口處流體的旋度越大,水平分速度相比于軸向分速度增加得更加顯著,因此噴霧角會隨著噴射壓力的增加而增加。圖5示出噴霧角α隨噴射壓力p的變化,可以看出隨著噴射壓力的增加噴霧角近似線性增大,線性擬合公式如式(5)所示,R2=0.988。

α=46.7p+4.87

(5)

圖6示出不同泄漏邊界下液態鈉射流在霧化階段的噴霧角。液態鈉流通過圓形泄漏邊界時的流動方式相對簡單,鈉流速度和流量分布均勻,所以產生的噴霧角相對較小。而橢圓形和尖銳裂縫這類非圓形泄漏邊界會使液態鈉流的流動方式變得更加復雜,使流體內部產生更多的渦流,在一定程度上促進了液態鈉流的霧化,增加了噴霧角。并且鈉流在通過尖銳裂縫的夾角處時速度會加快,而在中心區域的速度較慢,因此會在鈉流內部形成較大的速度差,使噴霧角進一步增大。而粗糙裂縫形的泄漏邊界形狀更為復雜,鈉流會產生更多的旋轉和渦旋,因此產生的噴霧角最大。

噴射壓力為0.3 MPa,初始鈉溫為300 ℃,泄漏高度為85 cm,初始鈉質量為20 g圖6 不同泄漏邊界下液態鈉射流在霧化階段的噴霧角Fig.6 Spray angle of liquid sodium jet at atomization stage through different leakage boundaries

圖7示出不同初始鈉溫下液態鈉射流在霧化階段的噴霧角。比較各溫度下液態鈉的噴霧現象可發現,隨著液態鈉溫度的升高,射流的噴霧角逐漸增大,200 ℃時液態鈉的噴霧角度為13.9°,而到400 ℃時,噴霧角已增至21.9°。這是由于射流流動的破裂狀態是由流體表面張力、流體慣性及空氣動力等因素共同作用下形成的[16]。液態鈉溫度升高,會導致其表面張力和黏度減小,更容易受到氣體擾動的影響;同時液態鈉的密度會隨著溫度升高而降低,由式(2)可知這會導致鈉流的出口速度增加。因此液態鈉溫度的升高會使鈉流在霧化階段的噴霧角增大。

泄漏邊界為粗糙裂縫,噴射壓力為0.3 MPa,泄漏高度為85 cm,初始鈉質量為20 g圖7 不同初始鈉溫下液態鈉射流在霧化階段的噴霧角Fig.7 Spray angle of liquid sodium jet at different initial temperatures in atomization stage

3 液態鈉霧化特性影響因素分析

通過噴嘴噴射形成的霧場是由大小不等的霧滴群顆粒組成,為了描述和評定霧滴群的霧化質量和表示其霧化特性,設想有1個液滴尺寸均勻的霧場,它在某方面的特性可以代替實際的不均勻霧場的特性,這個設想的均勻霧場的液滴尺寸稱為平均直徑[17]。平均直徑有多種定義方式,本文中采用質量中間直徑Dm來衡量液態鈉霧場的霧化程度,其定義為按照液滴質量分成兩部分的直徑,即小于Dm的液滴質量和大于Dm的液滴質量均占液滴總質量的一半。

本工作中收集到的為已凝固的固態鈉顆粒,其與液態鈉滴的直徑有如下關系:

(6)

式中:Dl和ρl分別為噴射時液態鈉滴的直徑和密度;Ds和ρs分別為室溫下的固態鈉顆粒的直徑和密度。經計算可知,在本文的實驗工況中,初始鈉溫為400 ℃時的液滴直徑D400與固態顆粒直徑D25差距最大:

D400≈1.04D25

(7)

可以看出,液態鈉滴與固態鈉顆粒的直徑差距較小,因此本文在后續分析中以測量得到的固態鈉顆粒的直徑來替代液態鈉滴的直徑。

3.1 泄漏高度

圖8示出不同泄漏高度下液態鈉噴霧的液滴粒徑分布。由圖8可看出,不同高度工況下噴霧的粒徑分布有較大差別。泄漏高度為55 cm時,各組粒徑所占份額較為平均,有多組粒徑的液滴份額均在7%以上。且該組實驗中收集到了一些細小的柱形或不規則的固態鈉顆粒,1.0 mm以上的液滴份額達到了10%以上,表明在55 cm的泄漏高度下有部分液態鈉尚未完全霧化。這是因為液體在空氣中的霧化是流體表面張力、流體慣性及空氣動力相互競爭共同作用的結果,液體在空中下落過程中會受到空氣動力的擾動,柱狀流表面會生成不穩定波,繼而破碎成液滴。在泄漏高度較低的實驗中,液膜在下落過程中并未完全破碎形成液滴。泄漏高度為70 cm和85 cm的工況下,大部分液態鈉顆粒的粒徑集中在0.5 mm以下。噴霧質量中間直徑隨泄漏高度的變化如圖9所示,液態鈉噴霧的質量中間直徑隨著泄漏高度的增加而減小。這是由于在下落距離足夠長時,液體的下落速度會逐漸增加,所受的空氣動力作用加劇,液膜更容易發生破碎。因此泄漏高度越高,小粒徑鈉滴份額越高,質量中間直徑越小。且由圖9還可看出,質量中間直徑隨著泄漏高度的變化近似線性變化。

泄漏高度:a——55 cm;b——70 cm;c——85 cm泄漏邊界為粗糙裂縫,初始鈉溫為300 ℃,噴射壓力為0.3 MPa,初始鈉質量為20 g圖8 不同泄漏高度下液態鈉噴霧的粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of liquid sodium spray at different leakage heights

圖9 噴霧質量中間直徑隨泄漏高度的變化Fig.9 Variation of spray mass intermediate diameter with leakage height

3.2 噴射壓力

不同噴射壓力下液態鈉噴霧的粒徑分布如圖10所示。由圖10可看出,噴射壓力對于液態鈉噴霧的粒徑分布有顯著影響。壓力為0.1 MPa時,粒徑在0.1 mm以下的鈉滴較少,所占份額不到10%;粒徑在0.1～0.4 mm的4組鈉滴所占份額最多,各組均達到了10%～15%;粒度在0.6 mm以上的鈉滴也占了較大份額,達到了25%左右。隨著壓力升高,0.6 mm以下小粒徑鈉滴的各組份額均有所上升。尤其是0.1 mm以下的3組鈉滴份額顯著升高,從0.1 MPa、0.2 MPa實驗中的7.6%、10.5%增加到了0.3 MPa、0.4 MPa以及0.5 MPa實驗中的19.8%、20.1%以及21.8%,這表明在下落過程中液態鈉分裂成了更細小的液滴。這是因為噴射壓力的升高,導致液態鈉在出口處的初始速度增加,使其所受的空氣動力作用加劇,液膜更容易發生破碎,已經破碎的液滴也會因所受的空氣動力大于其表面張力的作用而進一步破碎成更加細小的液滴,即發生了二次霧化。因此噴射壓力越高,小粒徑鈉滴所占份額越多,質量中間直徑越小。液態鈉噴霧的質量中間直徑隨噴射壓力的變化如圖11所示,對其進行線性擬合,得到關系式為:

噴射壓力:a——0.1 MPa;b——0.2 MPa;c——0.3 MPa;d——0.4 MPa;e——0.5 MPa泄漏邊界為粗糙裂縫,初始鈉溫為300 ℃,泄漏高度為85 cm,初始鈉質量為20 g圖10 不同噴射壓力下液態鈉噴霧的粒徑分布Fig.10 Particle size distribution of liquid sodium spray under different injection pressures

圖11 噴霧質量中間直徑隨噴射壓力的變化Fig.11 Variation of spray mass intermediate diameter with injection pressure

Dm=0.348 7-0.429 5p

(8)

式(8)的R2=0.994,表明擬合優度較好,在噴射壓力0.1～0.5 MPa范圍內,液態鈉噴霧質量中間直徑隨噴射壓力的變化近似線性變化。

3.3 泄漏邊界形狀

圖12示出液態鈉通過不同形狀泄漏邊界時的霧化特性。由圖12可看出:圓形組中,鈉滴主要集中在0.4～0.8 mm的粒徑范圍內,占比達到66.5%;橢圓組中,鈉滴集中在0.1～0.5 mm粒徑范圍內,占比達到63.3%;尖銳裂縫和粗糙裂縫組中,粒徑0.5 mm以下的鈉滴份額顯著增加,分別達到了84.1%和92.0%。為定量研究泄漏邊界形狀對液態鈉霧化特性的影響,本文引入形狀系數β來描述泄漏邊界的形狀,其定義[18]為:

泄漏邊界:a——圓形;b——橢圓形;c——尖銳裂縫;d——粗糙裂縫初始鈉溫為300 ℃,噴射壓力為0.3 MPa,泄漏高度為85 cm,初始鈉質量為20 g圖12 液態鈉噴霧通過不同泄漏邊界時的粒徑分布Fig.12 Particle size distribution of liquid sodium spray through different leakage boundaries

(9)

式中:X為噴嘴過水斷面周長;A為噴嘴過水斷面面積。

一般來說,形狀系數越大,噴嘴的泄漏邊界就越偏離圓形,形狀越復雜。

圖13示出液態鈉噴霧質量中間直徑隨噴嘴形狀系數的變化,對其線性擬合可得:

初始鈉溫為300 ℃,噴射壓力為0.3 MPa,泄漏高度為85 cm,初始鈉質量為20 g圖13 液態鈉噴霧質量中間直徑隨噴嘴形狀系數的變化Fig.13 Variation of liquid sodium spray mass intermediate diameter with nozzle shape coefficient

Dm=0.474-0.099 17β

(10)

式(10)的R2=0.994,擬合優度較好,說明液態鈉噴霧質量中間直徑隨噴嘴形狀系數的增大近似線性減小。這是因為形狀系數越大,表明噴嘴越偏離圓形,形狀越復雜。而不規則的噴嘴形狀會使液態鈉的流動受到阻礙和擾動,導致內部流體速度差異增大,從而可能引起摩擦、湍流和渦旋等現象。這些現象會影響鈉流的穩定性和均勻性,并最終導致鈉流更容易破裂或霧化。因此噴嘴的形狀越不規則,形狀系數越大,噴霧的質量中間直徑越小,霧化程度越高。

3.4 初始鈉溫

不同初始鈉溫下液態鈉噴霧特性如圖14所示。由圖14可見,液態鈉噴霧在初始鈉溫200～400 ℃工況下粒徑分布特性較為相似。5組實驗中,所占份額最高的均為粒徑0.1 mm和0.3 mm組的鈉滴,都達到了20%左右。隨著初始鈉溫升高,粒徑0.5 mm以下的鈉滴份額有所增加,特別是400 ℃工況下,0.1 mm和0.2 mm的鈉滴份額分別達到了23%和15%左右,要顯著高于其他初始鈉溫工況下的份額。噴霧質量中間直徑隨初始鈉溫的變化如圖15所示。由圖15可看出,噴霧質量中間直徑隨初始鈉溫的升高有所降低。這是因為液態鈉的運動黏度和表面張力會隨著溫度的升高而減小,從而使得液態鈉在噴射過程中會更容易受到空氣動力擾動破碎。但由于液態鈉的運動黏度和表面張力在200～400 ℃的溫度范圍內的數值變化較小,因此質量中間直徑隨初始鈉溫的變化幅度也相對較小。對液態鈉噴霧質量中間直徑隨初始鈉溫T變化的曲線進行擬合,如式(11)所示,式(11)的R2=0.84。

初始鈉溫:a——200 ℃;b——250 ℃;c——300 ℃;d——350 ℃;e——400 ℃泄漏邊界為粗糙裂縫,噴射壓力為0.3 MPa,泄漏高度為85 cm,初始鈉質量為20 g圖14 不同初始鈉溫下液態鈉噴霧粒徑分布Fig.14 Particle size distribution of liquid sodium spray at different initial temperatures

圖15 噴霧質量中間直徑隨初始鈉溫的變化Fig.15 Variation of spray mass intermediate diameter with initial sodium temperature

Dm=0.186+3.18×10-4T-7.098×10-7T2

(11)

3.5 初始鈉質量

不同初始鈉質量下的液態鈉噴霧特性如圖16所示。比較不同初始鈉質量下的粒徑分布可以發現,初始鈉質量為20 g的實驗中,粒徑在2 mm及以下的鈉顆粒所占份額達到了47.4%,隨著初始鈉質量的增加,這一比例逐漸減小到40.8%(50 g)、30.6%(100 g)以及19.9%(150 g);而粒徑為3 mm及以上的鈉滴份額會顯著增加。這是由于初始鈉質量較小時,在坩堝內的高度較低,出口附近的泄漏端會更容易受到高壓氮氣的擾動影響,形成氣體夾帶液態鈉噴出噴嘴的情況,使得液態鈉的流動會很快從柱狀流階段轉變到霧化階段,因此噴霧中的小粒徑鈉顆粒占比相對較高。而在初始鈉質量較大的情況下,坩堝內液態鈉高度較高,高壓氮氣在噴射初期對泄漏端的擾動相對較小,且不易穿透液態鈉層,因此柱狀流階段的持續時間相對較長;在噴射后期,坩堝內的液態鈉將要流盡、液體層高度較低時,才會出現氣體夾帶液態鈉同時從噴嘴噴出的情況,進入噴霧階段,因此噴霧中的小粒徑鈉顆粒占比相對較低。綜上可知液態鈉噴霧的質量中間直徑會隨著液態鈉初始質量M的增加而增大,如圖17所示。對該曲線進行多項式擬合,如式(12)所示,式(12)的R2=0.98。

初始鈉質量:a——20 g;b——50 g;c——100 g;d——150 g泄漏邊界為粗糙裂縫,噴射壓力為0.3 MPa,泄漏高度為85 cm,初始鈉溫為300 ℃圖16 不同初始鈉質量下液態鈉噴霧粒徑分布Fig.16 Variation of particle size distribution of liquid sodium spray with initial sodium mass

泄漏邊界為粗糙裂縫,噴射壓力為0.3 MPa,泄漏高度為85 cm,初始鈉溫為300 ℃圖17 噴霧質量中間直徑隨初始鈉質量的變化Fig.17 Variation of spray mass intermediate diameter with initial sodium mass

Dm=0.197 8+0.103×10-6M-

2.512 6×10-6M2

(12)

4 結論

本文設計搭建了一種液態鈉霧化特性實驗裝置,采用固化測量的方法,研究了液態鈉在不同工況下的霧化特性及影響因素,結論如下。

1) 液態鈉噴霧會經歷3個不同階段:以液柱形式噴出的柱狀流階段;液柱分裂為多條細流,從柱狀流向噴霧的轉變階段;以及完全轉變為液態鈉噴霧的霧化階段。該過程中,液態鈉的噴霧角會隨著不同階段的發展逐漸增大,在霧化階段達到最大。

2) 泄漏高度在55～85 cm時,隨著泄漏高度的增加,液態鈉流能達到的下落速度更快,所受空氣擾動加劇,霧化程度更高,質量中間直徑也會隨之減小;噴射壓力在0.1～0.5 MPa時,噴射壓力的升高會使液態鈉流出口速度加快,因此霧化程度增加,質量中間直徑減小。并且噴射壓力增加時,鈉流出口的水平分速度比軸向速度增加更顯著,因此噴霧角也會隨之增大。

3) 泄漏邊界對液態鈉的霧化特性有較大影響,噴霧的質量中間直徑會隨著泄漏邊界形狀系數的增大近似線性減小,但對噴霧角影響較小,隨著形狀系數的增加,噴霧角僅有略微增大。

4) 由于初始鈉溫的升高會使其表面張力和黏度減小,因此能夠一定程度促進鈉流的霧化,但在200～400 ℃時,液態鈉表面張力和黏度隨溫度的變化較小,所以初始鈉溫對霧化特性的影響比較有限;初始鈉質量在20～150 g時,質量增加會提升液鈉的高度,從而減小高壓氣體對噴嘴附近泄漏端的擾動影響,因此噴霧的質量中間直徑會隨著初始鈉質量的增大而增大。