Forced convection film boiling in the stagnation region of a molten drop and its application to vapour explosions

This work was undertaken as part of an investigation into the heat transfer mechanism related to thermal explosion. The theoretical model of forced convection film boiling in the stagnation point region of an axi-symmetrical molten drop is presented. The model is particularly relevant to the coarse pre-mixing stage of vapour explosion: it takes account of the fact that, at this stage, the hot substance is molten. Stagnation point momentum (Falkner-Skan) and energy equations, for cold and hot liquids and for the vapour layer, were solved numerically, with a wide range of boundary-matching conditions at the interfaces. The model presented, by covering a wide range of the conditions and parameters, is more general than the cases discussed in other publications. For this reason the results can be applied not only to the coarse pre-mixing stage of vapour explosion, but also to other situations, where three-phase forced convection occurs on an axi-symmetrical body.

RésuméOn explore le mécanisme de transfert de chaleur lié à l'explosion thermique. Le modèle théorique de l'ébullition en film avec convection forcée est présenté pour la région d'arrêt d'une goutte fondue asymétrique; il prend en compte le fait que la substance chaude est fondue. Les équations d'impulsion au point d'arrêt (Falkner-Skan) et d'énergie, pour les liquides froids ou chauds et pour la couche de vapeur, sont résolues numériquement avec un large domaine de conditions aux interfaces. Le modèle présenté, en couvrant un large domaine de conditions et de paramètres, est plus général que les cas discutés dans d'autres publications. Pour cette raison les résultats peuvent être appliqués non seulement à l'étape du prémélange grossier à l'explosion de vapeur mais aussi à d'autres situations où la convection forcée avec trois phases apparaît sur un corps axisymétrique.

ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit wurde im Rahmen einer Untersuchung der Wärmeübergangsmechanismen bei thermischen Explosionen durchgeführt. Das theoretische Modell des Filmsiedens bei Zwangskonvektion in der Nähe des Staupunktes eines achsensymmetrischen geschmolzenen Tropfens wird vorgestellt. Das Modell ist besonders für die Vormischungsstufe der Dampfexplosion von Bedeutung. Es berücksichtigt die Tatsache, daβ die heiβe Substanz in dieser Stufe geschmolzen ist. Die Impulsgleichung (nach Falkner/Skan) und die Energieerhaltungsgleichung am Staupunkt werden für kalte und heiβe Flüssigkeiten sowie für die Dampfschicht numerisch gelöst, und zwar für einen weiten Bereich der Randbedingungen an der Oberfläche. Das vorgestellte Modell, das einen weiten Bereich von Bedingungen und Parametern abdeckt, ist viel allgemeingültiger als die in anderen Veröffentlichungen behandelten Fälle. Aus diesem Grund können die Ergebnisse nicht nur auf die Vormischstufe der Dampfexplosion angewandt werden, sondern auch auf andere Fälle, bei denen eine dreiphasige Zwangskonvektion an einem achsensymmetrischen Körper auftritt.

РефератИccлeдyeтcя мeчaнизм тeплoпepeнoca пpи тeплoвoм взpывe. Пpeлoжeнa тeopeтичecкaя мoдeль плeнoчнoгo кипeния пpи вынyждeннoй кoнвeкции в зacтoйнoй зoнe ocecиммeтpичнoй pacплaвлeннoй кaпли. Moдeль oпмcывaeт cтaдию пpeдвapитeльнoгo cмeшивaния пpи взpывe пapa, кoгдa гopячee вeщecтвo pacнлaвлeнo. чиcлeннo peшaютcя ypaвнeния coчpaнeния импyльca (Фoлкнepa-Cкэнa) и энepгии для нeнaгpeтыч и нaгpeтыч жидкocтeй и для cлoя пapa пpи caмыч paзличныч гpaничныч ycлoвияч нa гpaницaч paздeлa. Пpeдлoжeннaя мoдeль для шиpoкoгo диaпaзoнa ycлoвий и пapaмeтpoв являeтcя бoлee oбoбщeннoй, чeм oбcyждaeмыe в дpyгнч пyбликaцияч. Пo этoй пpичинe пoлyчeнныe peзyльтaты мoгyт пpимeнятьcя нe тoлькo для cтaдии пpeдвapитeльнoгo cмeшивaния пpи взpывe пapa, нo и в дpyгич cлyчaяч, кoгдa тpeфaзнaя вынyждeннaя кoнвeкция пpoиcчoдит нa ocecиммeтpичнoм тeлe.