含气溶胶竖直壁面冷凝液演化特性

孙庆洋, 谷海峰, 周艳民, 张智刚, 鄂鑫诺, 王效

(哈尔滨工程大学 核科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

核电厂反应堆发生堆芯熔毁等严重事故时,大量的堆芯放射性物质会随冷却剂一起释放并以气溶胶的形式进入安全壳空间[1]。放射性气溶胶在安全壳内以多种方式迁移,其中安全壳壁面或结构表面沉积气溶胶颗粒受冷凝水的冲刷过程是气溶胶迁移的重要组成部分之一,对放射性分布有重要影响[2]。在安全壳系统代码COCOSYS中已有模型对冷凝水流冲刷气溶胶过程进行模拟[3]。模型基于河流侵蚀原理开发[4],沉积气溶胶颗粒在流动水剪切力作用下脱离壁面进而被冲刷迁移,壁面流动水演化发展及覆盖面积是描述气溶胶冲刷过程的关键,在模型中流动水流覆盖率仍是一个用户自定义值。

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过程模型,模型考虑了液滴滑落特性、液滴向水流过渡,最终可以进行稳态水流覆盖面积的计算,并进一步结合THAI-AW3实验[7]进行了冷凝水流分布和冲刷特性的验证。黄希等[8]评估了壁面冲刷气溶胶的降膜水流模型,对水流形态、水流流量等流动特性进行了探究。在关于冲刷水流的演化特性分析及相关模型开发等方面,对于冲刷水流的演化特性分析及相关模型开发等方面的研究取得了一定的进展。然而在现有模型中,沉积颗粒对于凝液演化的影响并未得到考虑。在相关实验研究中,研究人员对于冷凝环境壁面流动水的演化发展及其覆盖面积的关注也不足,多数研究仅开展了冷态实验。例如在THAI-AW3-LAB实验中,研究人员以注水的方式模拟冷凝水流进行2°～30°倾斜壁面上气溶胶冲刷可视化实验[9],实验结果对模型的验证存在一定局限性。

环境中的气溶胶颗粒可能以多种方式影响冷凝过程,例如沉积气溶胶可能会改变壁面结构[10],是气溶胶影响冷凝特性的主要潜在因素之一。李健等[11]对石英颗粒沉积表面的液滴润湿特性进行了探究,实验发现沉积表面的液滴接触角受到了影响,且随着颗粒沉积质量的增加,接触角有显著的减小。Zhao等[12]对进行表面润湿特性特殊处理后的氧化硅片表面的冷凝液滴发展形态进行了观察,随着不同表面冷凝液滴接触角的改变,液滴的发展形态有了显著变化,如当接触角为10°时,液滴极易铺展成膜,但接触角为70°的情况下,表面是稳定的滴状凝结。Daniel等[13]对壁面结构进行改良,使得随机的液滴合并过程变得有方向。颗粒沉积层可通过改变冷凝表面润湿性能进而影响液滴的发展模式和凝液的演化特性。

可视化实验是开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动特性时,利用可视化红外光学技术测量液膜的厚度[16-17],研究中基于可视化的方式获取液膜的覆盖率[18]。本文设计搭建一套蒸汽环境可视化冷凝实验平台,开展了含气溶胶沉积竖直壁面的冷凝液演化实验。实验通过可视化的方法对气溶胶冲刷过程中的壁面冷凝水演化规律进行了分析,对水流数量、水流宽度及覆盖面积等特征参数进行了测量评估。研究了不同冷凝速率、不同沉积密度工况对于凝液演化行为和水流覆盖率的影响。

1 颗粒沉积壁面凝液演化

1.1 实验装置

图1为开展竖直壁面凝液演化特性实验系统原理简图,整体的实验回路由冷凝实验段、蒸汽供应回路、气溶胶配送回路、冷却水回路、最终热阱回路等组成,并搭配以参数的测量及采集装置。

图1 颗粒沉积壁面凝液演化实验系统Fig.1 Schematic diagram of experimental device for condensate evolution on particle deposition wall

冷凝实验段是系统回路的主体,实验段中进行冷凝的部分是尺寸为300 mm×1 000 mm的不锈钢平板,平板一侧为蒸汽腔室,与蒸汽供应回路相连用于建立蒸汽冷凝环境,另一侧冷却腔室与冷却水回路相连为平板提供过冷度以实现持续的冷凝工况。为实现冷却水回路流量及温度的稳定调节,冷却水回路设计为闭式循环回路,回路将蒸汽冷凝释放的热量传递给最终热阱回路,并最终通过冷却塔释放到大气空间以实现回路热工参数的稳定。

随着蒸汽冷凝及气溶胶冲刷进行,凝液被实时收集可用于测量凝液量,同时可通过滤膜过滤的方式测量气溶胶质量,蒸汽腔室上表面设置玻璃视窗和补光灯,采用相机拍摄获取壁面冷凝液演化图像。

1.2 实验工况建立

竖直壁面的气溶胶沉积工况于冷凝实验开展前建立,通过高压气源和气溶胶发生器向实验段内供应气溶胶,建立颗粒弥散沉积环境,获取气溶胶颗粒沉积壁面,在颗粒完全沉积后开展冷凝实验。为避免实验壁面外的区域沉积气溶胶的影响,沉积环境建立后会打开腔室,在不破坏壁面沉积气溶胶的前提下清理其他区域,以免除引入无关质量干扰沉积质量的评估,实验后根据冲刷液内气溶胶质量和清洗获取的壁面剩余气溶胶质量可获取初始总的气溶胶沉积质量密度。

压水堆严重事故释放的稳定气溶胶团簇颗粒粒径范围估计为0.1～0.5 μm,且由金属、金属氧化物及多种化合物组成[19]。学者多采用金属或金属氧化物作为模拟气溶胶,例如银和二氧化钛等[9,20,21]。结合文献[22],实验选用中值粒径0.5 μm的二氧化钛作为表征气溶胶。如图2所示,实验研究采用壁面取样的方式进行沉积均匀性的测试,壁面各处的沉积质量密度与平均密度的误差在±20%以内。

图2 沉积密度分布测试Fig.2 Test of deposition density distribution

壁面的冷凝速率是探究凝液演化特性实验的重要参量之一,实验设置冷凝腔室为常压,通过调节蒸汽管路配送压力控制蒸汽温度及流量,壁面温度则由循环冷却水调节,进而实现不同冷凝速率的实验。实验中通过实时接取凝液质量的方式测量冷凝速率。图3所示为实验不同工况冷凝速率变化曲线,0 s时刻为壁面开始冷凝时刻,冷凝初期壁面凝液流处于发展阶段,因此冷凝速率波动较大,在约40 s后进入稳态,可维持较为稳定的冷凝速率。

图3 实验冷凝速率随时间变化Fig.3 Experimental condensation rate changes with time

冷凝初始阶段为液滴长大阶段,此时冷凝进行但液滴尚未滑落,冷凝液会在壁面积累。液滴滑落初始形成水流时,壁面前期积累的凝液会随之流出,因此初始阶段凝液量较大,随着冲刷进行,积累凝液流出,流出的凝液量降至稳态,冷凝速率呈现出先高后低的变化趋势。

1.3 实验数据处理方法

实验采用摄影机获取凝液图像,基于图像可观察凝液演化形态并分析其变化规律,同时可结合imageJ软件对水流宽度、水流覆盖面积等进行处理。壁面产生凝液后,白色二氧化钛颗粒进入液相中,使得液滴和水流呈现白色并易于识别处理。图4所示为实验拍摄冷凝液图像及软件二值化处理后的图像,结合数字图像处理像素点可获取水流宽度,凝水覆盖面积份额ε为:

图4 颗粒沉积壁面凝液演化实验图像和处理后图像Fig.4 Experimental imageand processed imageof the condensate evolution on particle deposition wall

ε=AW/A

(1)

式中:AW表示凝水覆盖区域面积;A表示实验平板总面积。

1.4 水流参数不确定度分析

实验图像处理过程中,流动水面积份额的确定基于图像划分进行,在处理过程中面积边界的识别会引人误差。不同湿区份额所需处理像素格数量不同,引入误差的不确定度也不同,实验中处理的图片分辨率为1 046×649,处理物理面积像素格数量在2万～40万,考虑可能引入的人为识别及选取误差共±5个像素格,则可能引入的识别冷凝水面积份额不确定度约在8%以内。实验图像水流宽度像素格在10～15个,放大局部识别像素格选取误差约在±2个像素格左右,因此水流宽度可能引入的不确定度在20%左右。

2 凝液演化实验结果分析

2.1 冷凝液的演化过程

基于可视化实验装置可观察竖直壁面的冷凝水的形成演化规律,实验对含气溶胶壁面冷凝水的演化过程进行了记录,图5所示为实验获取冷凝不同时间后壁面的凝液形态。通过图像获取的凝液演化规律,可将演化过程分为液滴生长、液滴滑落和水流发展等过程。以图5所示为例,t=0 s为蒸汽通入实验腔室的时刻,壁面为沉积的白色气溶胶颗粒层。在0～5 s时间内,壁面逐渐有液滴产生,壁面处于液滴生长阶段;当t=5 s时,壁面开始有冷凝液滴达到足够体积后在重力的作用下滑落,由于壁面的所有冷凝液滴同时生长,因此到达一定时间后,壁面上许多的液滴就会先后或同时滑落;t=8 s时滑落液滴会聚并沿途的液滴并形成水流向下流动,随着冷凝的进行,水流数量逐渐增多;最终随着大量液滴的滑落,形成了大量的水流分布在壁面上(t=13 s),并进入到稳态流动阶段。

图5 壁面凝液流动随时间变化图像Fig.5 Image of condensate flow on the wall with time

实验中凝水的演化过程看起来并不复杂,但它直接决定了最终壁面的凝液流动及分布特征。图6(a)所示为稳态壁面的凝液分布形态,从图像中可以将壁面分布的凝液分为水流(A)、液滴(B)和薄水膜(C)3个区域。在凝液演化过程中,滑落液滴发展形成了水流区,此时水流与水流之间区域会有一些还未滑落的液滴,该部分可称为液滴区。该区域的液滴最终也会滑落,但区别于演化初期的滑落液滴,液滴区滑落的液滴显然并没有足够的发展空间,而是会直接并入到水流区的凝液中。通过图像观察,除水流区和液滴区外,壁面剩余位置的凝液似乎以薄水膜的形式存在,薄水膜区域不会形成新的液滴,区域内产生的冷凝液会进入水流区被携带走。演化后的稳态凝液分布显著影响了壁面气溶胶的冲刷特性。图6(b)所示为实验结束后壁面剩余气溶胶颗粒残留的图像。从图中可以看出,水流区域的气溶胶几乎被水流冲刷干净,液滴区域的气溶胶也几乎都伴随液滴的流动离开壁面。相比之下,薄水膜区域除部分被下落液滴扫过的位置气溶胶被冲刷,其余的区域均有明显的白色气溶胶颗粒留在壁面。由此可见壁面气溶胶的冲刷规律与凝液演化后的水流分布特性密切相关。

图6 稳态凝液区域分布Fig.6 Distribution of condensate region in steady state

2.2 冷凝和沉积环境对液滴生长时间的影响

蒸汽在壁面冷凝时首先会形成纳米尺度的微小液滴[23],液滴的长大与滑落是竖直壁面凝液演化的初始阶段,也是影响后续冷凝液演化行为及最终水流分布特性的关键。液滴的长大通过蒸汽冷凝和合并2种方式,当竖直表面液滴长大到一定尺寸时,液滴在重力的作用下,向下所受合力会超过反方向的阻力,进而促使液滴运动滑落。不同的环境因素可能会改变液滴的长大速度、滑落临界液滴尺寸等,进而影响壁面凝液的演化特性。在含气溶胶沉积壁面冷凝环境中,蒸汽的冷凝速率和壁面的颗粒沉积均是影响液滴的潜在重要因素。实验中通过可视化的手段可以准确拍摄到壁面冷凝的开始(有液滴形成壁面颜色会显著改变)和液滴的滑落,因此,本文对不同冷凝和沉积环境下液滴形成到滑落这一过程的液滴生长时间进行关注,进而评估冷凝和沉积颗粒对冷凝液滴的影响。

图7所示为实验中不同冷凝速率和不同沉积密度环境下液滴的生长时间分布图。实验中不同工况下的冷凝液滴生长时间范围约为4～19 s,从结果可以看出,当沉积密度较高(>3 g/m2)或冷凝速率较高(>12 g/(m2·s))时,液滴长大所需时间均较少(4～6 s);当沉积密度和冷凝速率都降到较小时,液滴的长大受到2个环境因素共同影响,长大所需的时间会增加,最多达到19 s(沉积密度1.5 g/m2,冷凝速率2.5 g/(m2·s))。

图7 不同工况条件下液滴长大时间t0Fig.7 Droplet growth time t0 under different experimental conditions

液滴下落频率的快慢取决于液滴尺寸的增长速度和下落的临界液滴尺寸。冷凝速率的增加会直接加快单个液滴的冷凝长大速度。在冷凝过程中,液滴之间的合并是主要的液滴尺寸增长方式[24]。因此从实验结果可以预测,当冷凝速率增加到一定值,单个液滴的长大速度足够大使得液滴间的合并频率显著加快,进而促使液滴尺寸增长速度明显加快。当冷凝速率进一步加快时,若合并的频率没有进一步显著提高,蒸汽液滴的生长时间变化并不显著,因此,结果呈现出来随着冷凝速率的变化,液滴长大呈现几个不同的时间区域;另一方面气溶胶沉积密度也呈现出了相同的变化规律,结果可能也与液滴间的合并频率密切相关。不同于冷凝速率,沉积颗粒层改变了壁面的结构和液滴的特性,高沉积密度下液滴合并频率更快,生长时间更短。

2.3 不同冷凝速率对水流演化特性的影响

进一步在较接近沉积密度条件下(0.98～2 g/m2)研究冷凝速率对水流的发展特性的影响,图8(a)所示为不同冷凝速率下冷凝水流宽度发展随着时间的变化。随着冷凝水的发展,水流在流动过程中合并了沿途的液滴,水流宽度有增加的趋势。同时,由于水流发展过程中高冷凝速率壁面形成的冷凝水更多,被合并进入到水流中的冷凝水更多,因此水流宽度更大。

图8 不同冷凝速率条件下凝液参数Fig.8 Characteristic parameters of condensate under different condensation rates

除了水流宽度外,水流数量是另一个影响水流覆盖面积及冲刷份额的重要参数。水流的产生源于液滴的滑落,如图8(b)所示。实验对比了不同冷凝速率下滑落液滴数量随时间的变化。结果表明,高冷凝速率下的液滴频率明显加快,在7 g/(m2·s)冷凝速率下,约1.5 s时间便有30个滑落液滴,当冷凝速率降到2 g/(m2·s)时,便需要5.2 s。

液滴下落频率的差异与液滴长大时间的变化密不可分,壁面各处冷凝液滴的长大随机分布,当液滴长大时间短时,就会在短时间内有多个液滴达到临界体积开始滑落,形成较高的液滴下落频率。因此,结合不同冷凝工况的液滴长大时间(图7),高冷凝速率下液滴的长大时间短,则液滴滑落频率也高。

初始壁面上的液滴是水流形成的基础,因此滑落的液滴对于演化水流特性有显著的影响。如图8(c)对比了不同冷凝速率下壁面稳态水流的数量随水流发展长度的变化。结果表明,在发展初期高冷凝速率下的水流数量会更高,这与滑落液滴频率高密切相关,随着水流发展,由于高冷凝速率下的水流更宽,因此会有显著的水流合并现象,因此水流数量减少。

2.4 不同沉积密度对水流演化特性的影响

沉积密度对于水流发展的影响同样显著, 实验在接近的冷凝条件下(2.5～3.1 g/(m2·s))开展了不同沉积密度工况下的实验研究,结果如图9(a)所示。不同沉积密度下,滑落液滴发展水流的宽度变化的结果可以看出,随着沉积密度的增加,水流宽度显著减小。结合不同沉积密度工况下的液滴长大时间(图7)可知高沉积密度下的凝液长大时间较短则下落较早,沿途聚合的冷凝水量更少,因此水流宽度较小且相比之下宽度增长并不明显。

图9 不同沉积密度条件下凝液参数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长大时间也代表着液滴会有更高的下落频率,如图9(b)所示,高沉积密度下的液滴滑落频率显著提高,例如11.9 g/m2沉积工况下,大量液滴几乎同时长大并滑落,在0.2 s内可以达到30个滑落液滴,说明沉积颗粒在改变液滴长大时间(图7)的基础上,对于液滴的下落频率影响显著。

图9(c)进一步对比了稳态条件下壁面水流数量随时间的变化情况,由于高沉积密度下的水流产生频率很快且宽度较小,所以最终壁面形成水流数量也更多,同时由于水流数量多,发展到比较长的距离后,水流的合并比较也十分明显,水流数量会随之降低。

2.5 冷凝和沉积环境对水流覆盖率的影响

冷凝速率和沉积密度会显著影响冷凝水的长大和滑落,并进一步获取不同特性的发展水流宽度和数量等参数。凝液演化过程的行为和特征参数的变化与水流最终的冲刷覆盖面积密切相关,因此实验进一步结合图像处理获得了不同冷凝速率和不同沉积密度下的水流覆盖率变化如图10所示。图10(a)随着壁面沉积密度的增加,水流的覆盖率有显著的增加趋势,其中较高冷凝速率和较高沉积密度工况的影响均十分显著。冷凝速率的增加,增加了壁面水流的宽度和数量,因此会提高水流覆盖率;另一方面,壁面沉积密度的增加虽然会使得产生水流宽度更小,但会大幅度提高水流的数量,因此水流覆盖面积同样有增加的趋势。

图10 不同工况条件下水流覆盖率对比Fig.10 Comparison of water flow coverage under different experimental conditions

3 结论

1)经过可视化实验观察,含气溶胶颗粒的竖直壁面冷凝过程中,稳态冷凝水流和液滴是冲刷气溶胶的主要区域。本文仅对水流区域发展特性进行了探究,液滴区域仍待后续进一步探索。

2)高冷凝速率环境下,竖直壁面液滴长大时间更短,促使液滴下落频率更快、形成水流的宽度和数量增加。

3)高颗粒沉积密度环境下,竖直壁面液滴长大时间更短,并促使液滴下落频率更快,水流数量显著增加,但水流宽度更小。

4)结合图像处理获取了壁面水流面积份额,实验结果在39%～63%,随着冷凝速率和气溶胶沉积密度的增加水流面积份额有明显增加趋势。本文研究结果可为严重事故后安全壳竖直壁面沉积的放射性气溶胶再迁移的评估提供支持。