Effect of volumetric ratio and injection pressure on liquid nitrogen-water interaction

Abstract

ศึกษาอันตรกิริยาระหว่างเชื้อเพลิงและสารหล่อเย็นที่อุณหภูมิต่ำ โดยมีน้ำที่อุณหภูมิห้องเป็นเชื้อเพลิงและไนโตรเจนเหลวที่สภาวะอิ่มตัว ภายใต้ความดันบรรยากาศเป็นสารหล่อเย็น การทดลองกระทำโดยการฉีดน้ำผ่านท่อนำขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 เซนติเมตร ลงไปในท่อทดลองขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 เซนติเมตร ความสูง 1 เมตร ที่มีไนโตรเจนเหลวบรรจุอยู่ภายในจำนวน 2000 ลูกบาศก์เซนติเมตร โดยศึกษาผลกระทบจากพารามิเตอร์ที่สำคัญ 2 ค่าคือ สัดส่วนเชิงปริมาตรของน้ำต่อไนโตรเจนเหลวและความดันการฉีด สัดส่วนเชิงปริมาตรที่ใช้มีค่า 0.05 0.10 0.15 และ 0.20 และความดันการฉีดมีขนาด 2 บาร์เกจ 3 บาร์เกจ และ 4 บาร์เกจ ผลการทดลองพบว่า ความดันที่บันทึกได้ระหว่างการทดลองภายใต้เงื่อนไขต่างๆ มีทั้งลักษณะที่เป็นคลื่นยอดแหลมปรากฏชัดเจนและที่ไม่ปรากฏให้เห็นเป็นยอดแหลม ความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลมมีอัตราการเพิ่มขึ้นสูงถึง 25 บาร์ต่อวินาที ตรงกันข้าม ความดันที่ไม่ปรากฏให้เห็นเป็นยอดแหลมมีอัตราการเพิ่มขึ้นเพียง 0.2 บาร์ต่อวินาที ซากน้ำแข็งที่สังเกตได้หลังการทดลองกับลักษณะความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลม แสดงถึงการเกิดอันตรกิริยาอย่างรุนแรงระหว่างน้ำและไนโตรเจน เมื่อเปรียบเทียบเวลาที่แตกต่างกันระหว่างทรานสดิวเซอร์ ความดันที่ด้านล่างและด้านบนของระบบสำหรับยอดความดันเดียวกันพบว่า ความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลมแผ่ออกไปและมีอัตราเร็วเทียบกันได้กับอัตราเร็วเสียง ในทางทฤษฎีของของผสมเอกพันธุระหว่างของเหลวและก๊าซ ซึ่งมีค่าตั้งแต่ 26 ถึง 50 เมตรต่อวินาที ภายใต้เศษส่วนที่ว่างระหว่าง 0.1 ถึง 0.9 การเกิดขึ้นของความดันที่เป็น คลื่นยอดแหลมมีอัตราเร็วเข้าใกล้อัตราเร็วเสียงนี้ยืนยันว่า ยอดความดันที่ได้เป็นคลื่นกระแทกเนื่องจากการระเบิดเป็นไอของไนโตรเจนเหลว ผลที่ได้นี้แสดงว่าการระเบิดเป็นไอมีความเป็นไปได้จากอันตรกิริยาระหว่างน้ำกับไนโตรเจน และมีคุณลักษณะคล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้น ในอันตรกิริยาระหว่างเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หลอมละลาย ที่อุณหภูมิสูงกับสารหล่อเย็น อาศัยแบบจำลองคณิตศาสตร์ที่พัฒนาขึ้นสำหรับอันตรกิริยาที่อุณหภูมิสูง (TEXAS) ซึ่งปรับและประยุกต์เพื่อใช้จำลองปรากฏการณ์ผสมกันระหว่างน้ำและไนโตรเจนเหลว พบว่ามีความสอดคล้องกันกับช่วงการผสมกันของน้ำและไนโตรเจนที่สังเกตได้จากการทดลอง แต่ไม่พบว่าเกิดความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลม ซึ่งชี้ว่าลักษณะการเกิดความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลมจากการทดลองดังกล่าว มิได้เป็นผลจากปรากฏการณ์ผสมกัน แต่น่าจะเป็นผลจากอันตรกิริยาที่รุนแรงกว่า จากผลการศึกษานี้ แผนผังแสดงแนวโน้มการเกิดอันตรกิริยาอย่างรุนแรง เช่นการระเบิดเป็นไอระหว่างน้ำและไนโตรเจนเหลวจึงถูกจัดสร้างขึ้น เพื่อใช้ทำนายผลกระทบจากสัดส่วนเชิงปริมาตรของน้ำและไนโตรเจนเหลว และค่าความดันการฉีดน้ำต่ออันตรกิริยาระหว่างน้ำและไนโตรเจนเหลว