随着现代工业的高度发展,对冶金行业和核能产业的需求出现前所未有的快速增加,然而在金属熔炼和核反应堆运行过程中,可能会发生高温熔融物和冷却剂的非正常直接接触,从而导致强烈的蒸汽爆炸。由于高温熔融物和冷却剂之间的相互作用是一个复杂的多相流过程,尤其是蒸汽爆炸现象,其作用机理至今仍缺乏清楚的认识,尚无法准确地进行事故预防和安全评估。为了深入了解这类冷热流体之间相互作用的机理和揭示蒸汽爆炸的发展过程,本文自主设计研制了一套低熔点熔融金属和冷却水直接接触的实验系统,借助高速摄像技术对锡和铝两种金属开展了液滴/液柱与冷却水直接接触的可视化实验研究,并通过瞬态压力测量系统对蒸汽爆炸产生的压力波进行分析,进而对相互作用的机理进行了探讨。本文的主要研究工作如下:开展了熔融锡液滴与冷却水相互作用的实验研究。首先,在实验中发现了四种典型的实验现象(无碎化、片状展开、片状碎化、颗粒状碎化)。其次,对作用过程现象和作用产物进行分类统计,发现锡液温度的升高会促进液滴产生蒸汽爆炸,从而以颗粒状的形式碎化,而下落速度的增加会促进液滴以片状的形式碎化。最后,基于锡液温度和下落速度对相互作用的影响规律,提出了Kelvin-Helmholtz不稳定性在高速工况下对相互作用起主导作用,而Rayleigh-Taylor不稳定性在低速高温的工况下对相互作用起主导作用。开展了熔融锡液柱与冷却水相互作用的实验研究。首先,发现锡液柱和冷却水相互作用可以分成两个阶段(下落阶段、沉积阶段),在沉积阶段可能发生威力较大的剧烈蒸汽爆炸现象(本文检测到的最大峰值压力645 kPa)。其次,在本文实验范围内,发现锡液温度的升高、液柱直径的增加和惰性气体的保护会促进液柱在下落阶段发生局部蒸汽爆炸,而下落高度的增加会在一定程度上抑制局部蒸汽爆炸的产生。对沉积阶段来说,锡液温度的升高、下落高度的增加和惰性气体的保护会增加剧烈蒸汽爆炸的强度,液柱直径的增加也会增加剧烈蒸汽爆炸的强度,但是当直径增大到15 mm时,相互作用会受到抑制,从而不发生剧烈蒸汽爆炸。开展了熔融铝液与冷却水相互作用的实验研究。发现在本文实验范围内,熔融铝液和冷却水之间的相互作用相对平缓,无论是铝液滴还是铝液柱,都没有发生明显的碎化行为和蒸汽爆炸行为。然而在孔径为10 mm的一次实验中,底部沉积物发生了突然膨胀的现象,说明铝液柱和冷却水相互作用也具有发生蒸汽爆炸的潜力。