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(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

核電廠反應(yīng)堆發(fā)生堆芯熔毀等嚴(yán)重事故時(shí),大量的堆芯放射性物質(zhì)會(huì)隨冷卻劑一起釋放并以氣溶膠的形式進(jìn)入安全殼空間[1]。放射性氣溶膠在安全殼內(nèi)以多種方式遷移,其中安全殼壁面或結(jié)構(gòu)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(duì)放射性分布有重要影響[2]。在安全殼系統(tǒng)代碼COCOSYS中已有模型對(duì)冷凝水流沖刷氣溶膠過程進(jìn)行模擬[3]。模型基于河流侵蝕原理開發(fā)[4],沉積氣溶膠顆粒在流動(dòng)水剪切力作用下脫離壁面進(jìn)而被沖刷遷移,壁面流動(dòng)水演化發(fā)展及覆蓋面積是描述氣溶膠沖刷過程的關(guān)鍵,在模型中流動(dòng)水流覆蓋率仍是一個(gè)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)水流覆蓋面積的計(jì)算,并進(jìn)一步結(jié)合THAI-AW3實(shí)驗(yàn)[7]進(jìn)行了冷凝水流分布和沖刷特性的驗(yàn)證。黃希等[8]評(píng)估了壁面沖刷氣溶膠的降膜水流模型,對(duì)水流形態(tài)、水流流量等流動(dòng)特性進(jìn)行了探究。在關(guān)于沖刷水流的演化特性分析及相關(guān)模型開發(fā)等方面,對(duì)于沖刷水流的演化特性分析及相關(guān)模型開發(fā)等方面的研究取得了一定的進(jìn)展。然而在現(xiàn)有模型中,沉積顆粒對(duì)于凝液演化的影響并未得到考慮。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中,研究人員對(duì)于冷凝環(huán)境壁面流動(dòng)水的演化發(fā)展及其覆蓋面積的關(guān)注也不足,多數(shù)研究?jī)H開展了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)。例如在THAI-AW3-LAB實(shí)驗(yàn)中,研究人員以注水的方式模擬冷凝水流進(jìn)行2°～30°傾斜壁面上氣溶膠沖刷可視化實(shí)驗(yàn)[9],實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型的驗(yàn)證存在一定局限性。

環(huán)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(huì)改變壁面結(jié)構(gòu)[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(duì)石英顆粒沉積表面的液滴潤(rùn)濕特性進(jìn)行了探究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沉積表面的液滴接觸角受到了影響,且隨著顆粒沉積質(zhì)量的增加,接觸角有顯著的減小。Zhao等[12]對(duì)進(jìn)行表面潤(rùn)濕特性特殊處理后的氧化硅片表面的冷凝液滴發(fā)展形態(tài)進(jìn)行了觀察,隨著不同表面冷凝液滴接觸角的改變,液滴的發(fā)展形態(tài)有了顯著變化,如當(dāng)接觸角為10°時(shí),液滴極易鋪展成膜,但接觸角為70°的情況下,表面是穩(wěn)定的滴狀凝結(jié)。Daniel等[13]對(duì)壁面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良,使得隨機(jī)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(rùn)濕性能進(jìn)而影響液滴的發(fā)展模式和凝液的演化特性。

可視化實(shí)驗(yàn)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(dòng)特性時(shí),利用可視化紅外光學(xué)技術(shù)測(cè)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(shè)計(jì)搭建一套蒸汽環(huán)境可視化冷凝實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展了含氣溶膠沉積豎直壁面的冷凝液演化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過可視化的方法對(duì)氣溶膠沖刷過程中的壁面冷凝水演化規(guī)律進(jìn)行了分析,對(duì)水流數(shù)量、水流寬度及覆蓋面積等特征參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量評(píng)估。研究了不同冷凝速率、不同沉積密度工況對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置

圖1為開展豎直壁面凝液演化特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖,整體的實(shí)驗(yàn)回路由冷凝實(shí)驗(yàn)段、蒸汽供應(yīng)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(shù)的測(cè)量及采集裝置。

圖1 顆粒沉積壁面凝液演化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of experimental device for condensate evolution on particle deposition wall

冷凝實(shí)驗(yàn)段是系統(tǒng)回路的主體,實(shí)驗(yàn)段中進(jìn)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(cè)為蒸汽腔室,與蒸汽供應(yīng)回路相連用于建立蒸汽冷凝環(huán)境,另一側(cè)冷卻腔室與冷卻水回路相連為平板提供過冷度以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的冷凝工況。為實(shí)現(xiàn)冷卻水回路流量及溫度的穩(wěn)定調(diào)節(jié),冷卻水回路設(shè)計(jì)為閉式循環(huán)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(shí)現(xiàn)回路熱工參數(shù)的穩(wěn)定。

隨著蒸汽冷凝及氣溶膠沖刷進(jìn)行,凝液被實(shí)時(shí)收集可用于測(cè)量凝液量,同時(shí)可通過濾膜過濾的方式測(cè)量氣溶膠質(zhì)量,蒸汽腔室上表面設(shè)置玻璃視窗和補(bǔ)光燈,采用相機(jī)拍攝獲取壁面冷凝液演化圖像。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況建立

豎直壁面的氣溶膠沉積工況于冷凝實(shí)驗(yàn)開展前建立,通過高壓氣源和氣溶膠發(fā)生器向?qū)嶒?yàn)段內(nèi)供應(yīng)氣溶膠,建立顆粒彌散沉積環(huán)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(shí)驗(yàn)。為避免實(shí)驗(yàn)壁面外的區(qū)域沉積氣溶膠的影響,沉積環(huán)境建立后會(huì)打開腔室,在不破壞壁面沉積氣溶膠的前提下清理其他區(qū)域,以免除引入無關(guān)質(zhì)量干擾沉積質(zhì)量的評(píng)估,實(shí)驗(yàn)后根據(jù)沖刷液內(nèi)氣溶膠質(zhì)量和清洗獲取的壁面剩余氣溶膠質(zhì)量可獲取初始總的氣溶膠沉積質(zhì)量密度。

壓水堆嚴(yán)重事故釋放的穩(wěn)定氣溶膠團(tuán)簇顆粒粒徑范圍估計(jì)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(xué)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(jié)合文獻(xiàn)[22],實(shí)驗(yàn)選用中值粒徑0.5 μm的二氧化鈦?zhàn)鳛楸碚鳉馊苣z。如圖2所示,實(shí)驗(yàn)研究采用壁面取樣的方式進(jìn)行沉積均勻性的測(cè)試,壁面各處的沉積質(zhì)量密度與平均密度的誤差在±20%以內(nèi)。

圖2 沉積密度分布測(cè)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(shí)驗(yàn)的重要參量之一,實(shí)驗(yàn)設(shè)置冷凝腔室為常壓,通過調(diào)節(jié)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(huán)冷卻水調(diào)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同冷凝速率的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中通過實(shí)時(shí)接取凝液質(zhì)量的方式測(cè)量冷凝速率。圖3所示為實(shí)驗(yàn)不同工況冷凝速率變化曲線,0 s時(shí)刻為壁面開始冷凝時(shí)刻,冷凝初期壁面凝液流處于發(fā)展階段,因此冷凝速率波動(dòng)較大,在約40 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài),可維持較為穩(wěn)定的冷凝速率。

圖3 實(shí)驗(yàn)冷凝速率隨時(shí)間變化Fig.3 Experimental condensation rate changes with time

冷凝初始階段為液滴長(zhǎng)大階段,此時(shí)冷凝進(jìn)行但液滴尚未滑落,冷凝液會(huì)在壁面積累。液滴滑落初始形成水流時(shí),壁面前期積累的凝液會(huì)隨之流出,因此初始階段凝液量較大,隨著沖刷進(jìn)行,積累凝液流出,流出的凝液量降至穩(wěn)態(tài),冷凝速率呈現(xiàn)出先高后低的變化趨勢(shì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)采用攝影機(jī)獲取凝液圖像,基于圖像可觀察凝液演化形態(tài)并分析其變化規(guī)律,同時(shí)可結(jié)合imageJ軟件對(duì)水流寬度、水流覆蓋面積等進(jìn)行處理。壁面產(chǎn)生凝液后,白色二氧化鈦顆粒進(jìn)入液相中,使得液滴和水流呈現(xiàn)白色并易于識(shí)別處理。圖4所示為實(shí)驗(yàn)拍攝冷凝液圖像及軟件二值化處理后的圖像,結(jié)合數(shù)字圖像處理像素點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(qū)域面積;A表示實(shí)驗(yàn)平板總面積。

1.4 水流參數(shù)不確定度分析

實(shí)驗(yàn)圖像處理過程中,流動(dòng)水面積份額的確定基于圖像劃分進(jìn)行,在處理過程中面積邊界的識(shí)別會(huì)引人誤差。不同濕區(qū)份額所需處理像素格數(shù)量不同,引入誤差的不確定度也不同,實(shí)驗(yàn)中處理的圖片分辨率為1 046×649,處理物理面積像素格數(shù)量在2萬～40萬,考慮可能引入的人為識(shí)別及選取誤差共±5個(gè)像素格,則可能引入的識(shí)別冷凝水面積份額不確定度約在8%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)圖像水流寬度像素格在10～15個(gè),放大局部識(shí)別像素格選取誤差約在±2個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 冷凝液的演化過程

基于可視化實(shí)驗(yàn)裝置可觀察豎直壁面的冷凝水的形成演化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)對(duì)含氣溶膠壁面冷凝水的演化過程進(jìn)行了記錄,圖5所示為實(shí)驗(yàn)獲取冷凝不同時(shí)間后壁面的凝液形態(tài)。通過圖像獲取的凝液演化規(guī)律,可將演化過程分為液滴生長(zhǎng)、液滴滑落和水流發(fā)展等過程。以圖5所示為例,t=0 s為蒸汽通入實(shí)驗(yàn)腔室的時(shí)刻,壁面為沉積的白色氣溶膠顆粒層。在0～5 s時(shí)間內(nèi),壁面逐漸有液滴產(chǎn)生,壁面處于液滴生長(zhǎng)階段;當(dāng)t=5 s時(shí),壁面開始有冷凝液滴達(dá)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(shí)生長(zhǎng),因此到達(dá)一定時(shí)間后,壁面上許多的液滴就會(huì)先后或同時(shí)滑落;t=8 s時(shí)滑落液滴會(huì)聚并沿途的液滴并形成水流向下流動(dòng),隨著冷凝的進(jìn)行,水流數(shù)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(jìn)入到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段。

圖5 壁面凝液流動(dòng)隨時(shí)間變化圖像Fig.5 Image of condensate flow on the wall with time

實(shí)驗(yàn)中凝水的演化過程看起來并不復(fù)雜,但它直接決定了最終壁面的凝液流動(dòng)及分布特征。圖6(a)所示為穩(wěn)態(tài)壁面的凝液分布形態(tài),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(gè)區(qū)域。在凝液演化過程中,滑落液滴發(fā)展形成了水流區(qū),此時(shí)水流與水流之間區(qū)域會(huì)有一些還未滑落的液滴,該部分可稱為液滴區(qū)。該區(qū)域的液滴最終也會(huì)滑落,但區(qū)別于演化初期的滑落液滴,液滴區(qū)滑落的液滴顯然并沒有足夠的發(fā)展空間,而是會(huì)直接并入到水流區(qū)的凝液中。通過圖像觀察,除水流區(qū)和液滴區(qū)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(qū)域不會(huì)形成新的液滴,區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的冷凝液會(huì)進(jìn)入水流區(qū)被攜帶走。演化后的穩(wěn)態(tài)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(qū)域的氣溶膠幾乎被水流沖刷干凈,液滴區(qū)域的氣溶膠也幾乎都伴隨液滴的流動(dòng)離開壁面。相比之下,薄水膜區(qū)域除部分被下落液滴掃過的位置氣溶膠被沖刷,其余的區(qū)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(guī)律與凝液演化后的水流分布特性密切相關(guān)。

圖6 穩(wěn)態(tài)凝液區(qū)域分布Fig.6 Distribution of condensate region in steady state

2.2 冷凝和沉積環(huán)境對(duì)液滴生長(zhǎng)時(shí)間的影響

蒸汽在壁面冷凝時(shí)首先會(huì)形成納米尺度的微小液滴[23],液滴的長(zhǎng)大與滑落是豎直壁面凝液演化的初始階段,也是影響后續(xù)冷凝液演化行為及最終水流分布特性的關(guān)鍵。液滴的長(zhǎng)大通過蒸汽冷凝和合并2種方式,當(dāng)豎直表面液滴長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí),液滴在重力的作用下,向下所受合力會(huì)超過反方向的阻力,進(jìn)而促使液滴運(yùn)動(dòng)滑落。不同的環(huán)境因素可能會(huì)改變液滴的長(zhǎng)大速度、滑落臨界液滴尺寸等,進(jìn)而影響壁面凝液的演化特性。在含氣溶膠沉積壁面冷凝環(huán)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(shí)驗(yàn)中通過可視化的手段可以準(zhǔn)確拍攝到壁面冷凝的開始(有液滴形成壁面顏色會(huì)顯著改變)和液滴的滑落,因此,本文對(duì)不同冷凝和沉積環(huán)境下液滴形成到滑落這一過程的液滴生長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行關(guān)注,進(jìn)而評(píng)估冷凝和沉積顆粒對(duì)冷凝液滴的影響。

圖7所示為實(shí)驗(yàn)中不同冷凝速率和不同沉積密度環(huán)境下液滴的生長(zhǎng)時(shí)間分布圖。實(shí)驗(yàn)中不同工況下的冷凝液滴生長(zhǎng)時(shí)間范圍約為4～19 s,從結(jié)果可以看出,當(dāng)沉積密度較高(>3 g/m2)或冷凝速率較高(>12 g/(m2·s))時(shí),液滴長(zhǎng)大所需時(shí)間均較少(4～6 s);當(dāng)沉積密度和冷凝速率都降到較小時(shí),液滴的長(zhǎng)大受到2個(gè)環(huán)境因素共同影響,長(zhǎng)大所需的時(shí)間會(huì)增加,最多達(dá)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(zhǎng)大時(shí)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(zhǎng)速度和下落的臨界液滴尺寸。冷凝速率的增加會(huì)直接加快單個(gè)液滴的冷凝長(zhǎng)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(zhǎng)方式[24]。因此從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以預(yù)測(cè),當(dāng)冷凝速率增加到一定值,單個(gè)液滴的長(zhǎng)大速度足夠大使得液滴間的合并頻率顯著加快,進(jìn)而促使液滴尺寸增長(zhǎng)速度明顯加快。當(dāng)冷凝速率進(jìn)一步加快時(shí),若合并的頻率沒有進(jìn)一步顯著提高,蒸汽液滴的生長(zhǎng)時(shí)間變化并不顯著,因此,結(jié)果呈現(xiàn)出來隨著冷凝速率的變化,液滴長(zhǎng)大呈現(xiàn)幾個(gè)不同的時(shí)間區(qū)域;另一方面氣溶膠沉積密度也呈現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律,結(jié)果可能也與液滴間的合并頻率密切相關(guān)。不同于冷凝速率,沉積顆粒層改變了壁面的結(jié)構(gòu)和液滴的特性,高沉積密度下液滴合并頻率更快,生長(zhǎng)時(shí)間更短。

2.3 不同冷凝速率對(duì)水流演化特性的影響

進(jìn)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(duì)水流的發(fā)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(fā)展隨著時(shí)間的變化。隨著冷凝水的發(fā)展,水流在流動(dòng)過程中合并了沿途的液滴,水流寬度有增加的趨勢(shì)。同時(shí),由于水流發(fā)展過程中高冷凝速率壁面形成的冷凝水更多,被合并進(jìn)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(shù)Fig.8 Characteristic parameters of condensate under different condensation rates

除了水流寬度外,水流數(shù)量是另一個(gè)影響水流覆蓋面積及沖刷份額的重要參數(shù)。水流的產(chǎn)生源于液滴的滑落,如圖8(b)所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同冷凝速率下滑落液滴數(shù)量隨時(shí)間的變化。結(jié)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(shí)間便有30個(gè)滑落液滴,當(dāng)冷凝速率降到2 g/(m2·s)時(shí),便需要5.2 s。

液滴下落頻率的差異與液滴長(zhǎng)大時(shí)間的變化密不可分,壁面各處冷凝液滴的長(zhǎng)大隨機(jī)分布,當(dāng)液滴長(zhǎng)大時(shí)間短時(shí),就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)有多個(gè)液滴達(dá)到臨界體積開始滑落,形成較高的液滴下落頻率。因此,結(jié)合不同冷凝工況的液滴長(zhǎng)大時(shí)間(圖7),高冷凝速率下液滴的長(zhǎng)大時(shí)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(chǔ),因此滑落的液滴對(duì)于演化水流特性有顯著的影響。如圖8(c)對(duì)比了不同冷凝速率下壁面穩(wěn)態(tài)水流的數(shù)量隨水流發(fā)展長(zhǎng)度的變化。結(jié)果表明,在發(fā)展初期高冷凝速率下的水流數(shù)量會(huì)更高,這與滑落液滴頻率高密切相關(guān),隨著水流發(fā)展,由于高冷凝速率下的水流更寬,因此會(huì)有顯著的水流合并現(xiàn)象,因此水流數(shù)量減少。

2.4 不同沉積密度對(duì)水流演化特性的影響

沉積密度對(duì)于水流發(fā)展的影響同樣顯著, 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果如圖9(a)所示。不同沉積密度下,滑落液滴發(fā)展水流的寬度變化的結(jié)果可以看出,隨著沉積密度的增加,水流寬度顯著減小。結(jié)合不同沉積密度工況下的液滴長(zhǎng)大時(shí)間(圖7)可知高沉積密度下的凝液長(zhǎng)大時(shí)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(zhǎng)并不明顯。

圖9 不同沉積密度條件下凝液參數(shù)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(zhǎng)大時(shí)間也代表著液滴會(huì)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(shí)長(zhǎng)大并滑落,在0.2 s內(nèi)可以達(dá)到30個(gè)滑落液滴,說明沉積顆粒在改變液滴長(zhǎng)大時(shí)間(圖7)的基礎(chǔ)上,對(duì)于液滴的下落頻率影響顯著。

圖9(c)進(jìn)一步對(duì)比了穩(wěn)態(tài)條件下壁面水流數(shù)量隨時(shí)間的變化情況,由于高沉積密度下的水流產(chǎn)生頻率很快且寬度較小,所以最終壁面形成水流數(shù)量也更多,同時(shí)由于水流數(shù)量多,發(fā)展到比較長(zhǎng)的距離后,水流的合并比較也十分明顯,水流數(shù)量會(huì)隨之降低。

2.5 冷凝和沉積環(huán)境對(duì)水流覆蓋率的影響

冷凝速率和沉積密度會(huì)顯著影響冷凝水的長(zhǎng)大和滑落,并進(jìn)一步獲取不同特性的發(fā)展水流寬度和數(shù)量等參數(shù)。凝液演化過程的行為和特征參數(shù)的變化與水流最終的沖刷覆蓋面積密切相關(guān),因此實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步結(jié)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(shì),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(shù)量,因此會(huì)提高水流覆蓋率;另一方面,壁面沉積密度的增加雖然會(huì)使得產(chǎn)生水流寬度更小,但會(huì)大幅度提高水流的數(shù)量,因此水流覆蓋面積同樣有增加的趨勢(shì)。

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

3 結(jié)論

1)經(jīng)過可視化實(shí)驗(yàn)觀察,含氣溶膠顆粒的豎直壁面冷凝過程中,穩(wěn)態(tài)冷凝水流和液滴是沖刷氣溶膠的主要區(qū)域。本文僅對(duì)水流區(qū)域發(fā)展特性進(jìn)行了探究,液滴區(qū)域仍待后續(xù)進(jìn)一步探索。

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

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

4)結(jié)合圖像處理獲取了壁面水流面積份額,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shì)。本文研究結(jié)果可為嚴(yán)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(píng)估提供支持。