液滴撞击壁面的动态润湿特性实验研究

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核反应堆发生失水事故后,无论是在安全壳的喷淋冷却还是堆芯再淹没过程的滴状流传热中,离散的液滴会分别与过热壁面和蒸汽间发生复杂的对流、辐射和接触传热。其中,运动液滴与过热壁面之间的直接接触传热对于带走堆芯余热以及稳定安全壳温度和压力也起着十分重要的作用。
  但是,液滴撞击壁面后液滴的动态润湿以及与液滴与壁面之间的传热过程十分的复杂,目前还没有一个模型能对此进行很好的描述。其复杂性在于液滴撞击壁面后会伴随着多种不同的动力学行为及传热机制,且在不同的工况条件下,会在这些机制间相互转变;另外,液滴三相接触线附近的润湿及传热机理也尚不明确。目前的反应堆系统程序中对液滴与壁面间的直接接触传热主要依赖于一些基于两相的体积份额、液滴平均直径等宏观参数的经验关系式,没有考虑液滴撞击壁面复杂的瞬态变化过程,因此有必要对液滴撞击壁面的动态润湿行为开展更为基础的研究。
  本文研究主要分为两个部分,一是在绝热条件下开展了液滴动态润湿实验,通过图像处理的方式,对液滴三相接触线速度和动态接触角进行了定量的提取,重点分析了在液滴沉积情况下分析了不同的初始撞击速度、表面微观结构、表面润湿性能和壁面倾斜情况对液滴三相接触线行为的影响。并通过几何重构建立模型较好地描述了倾斜绝热条件下,液滴三相接触线移动和瞬态的受力情况。另外,对于加热部分通过无量纲韦伯数和壁面温度将液滴不同的动态行为进行分类。同时,讨论了在沉积状态下,液滴在扩散和回缩阶段动态接触角的变化对沸腾行为的影响,并对较高壁面温度下液滴的破碎机制进行了的分析。
  本次研究的基本思路在于,由于液滴撞击过程的复杂性和实验条件的限制,很难对其微观物理过程进行直接的测量,因此主要通过高速相机拍摄液滴在不同工况下撞击壁面后的动态行为,分析热工条件、壁面因素,重力场和惯性力等不同因素对液滴撞击和传热过程的影响。根据其宏观的动态行为表现,对影响液滴动态润湿行为及其壁面对液滴传热的一些因素以及产生不同现象的作用机制进行分析,从而为构建预测更精确,适用范围更广的模型或关系式提供更多的物理证据。
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