工业化程度逐渐加深的当代社会,对金属的需求量不断扩大;电力需求驱动核能的飞速发展。但是在时代进步的背景下,存在许多安全隐患。近年来发生了许多在冶金工业生产中的熔融金属与水接触相互作用的蒸汽爆炸事故。这些安全事故已经慢慢成为冶金工业不能忽视的严重灾害。在核能应用领域也可能出现熔融金属与冷却剂接触的爆炸场景,比如切尔诺贝利核事故、三里岛核事故和福岛核事故等世界级灾难事故,尽管熔融金属和冷却剂的种类与冶金事故中的有所区别,但是,FCI现象(即熔融物与冷却剂相互作用)所蕴含的爆炸反应机制是相同的,并且由于熔融金属与冷却剂相互作用是一个复杂的多相流的反应过程,发生反应时持续时间较短给观测研究带来很大难度,目前其作用机理仍未完全摸清,因此开展熔融金属与冷却水相互作用实验在金属熔炼和核能的安全分析中具有很大的价值。为了研究熔融金属与冷却剂的相互作用机理,本文选择熔融金属铜作为研究重点,自主研究设计了一套电力驱动的熔融金属中频炉与熔融金属下落实验台,并借助了高速摄像技术对铜开展了不同尺度的熔融金属液柱与冷却水直接接触的可视化实验研究,通过瞬态压力测量系统对碎化压力进行记录与分析,并综合实验产物对相互作用机理进行了研究讨论。实验分为两大部分:1.进行500g以下尺度的熔融金属铜液柱与冷却水的相互作用实验;2.进行1kg以上尺度的熔融金属铜液柱与冷却水的相互作用实验。开展了500g以下尺度的熔融金属铜液柱与冷却水相互作用实验研究。在实验中对液柱与冷却水接触所产生的最大蒸汽空腔体积百分比进行了分析研究,发现熔融金属温度和质量对空腔体积百分比影响较大。并且,对碎化现象进行统一归类发现了四种典型碎化实验现象(水中初次碎化并触发碎化增殖(WY);水中初次碎化未触发碎化增殖(WN);水底初次碎化并触发碎化增殖(BY);水底初次碎化未触发碎化增殖(BN))。其次,对作用过程和作用的产物进行分析研究发现,熔融金属铜液柱的温度变化影响碎化概率。在本文实验的液柱温度范围(1200℃-1600℃)内,熔融金属碎化概率随温度呈现非线性变化,即:碎化概率随温度的升高而增大,之后减小,在铜液柱温度约在1300℃时,碎化概率达到峰值;熔融金属温度越高,碎化概率越小。熔融金属铜液柱的质量变化影响碎化位置。在本文实验的500g以下尺度试验范围内,熔融金属质量越高,发生碎化的位置越靠近反应容器底部。在本文实验的液柱下落高度范围(50cm-130cm)内,熔融金属液柱随着高度增加,碎化概率明显增大;熔融金属铜液柱与冷却水相互作用发生初次碎化后触发碎化增殖,即WY和BY,产生的冲击波超压远大于发生初次碎化后未触发碎化增殖,即WN和BN。实验发现,触发碎化增殖是发生蒸汽爆炸现象的关键因素。熔融金属铜液柱的入水形态不同其碎化原因也不同,流线型结构发生碎化的主要原因是不稳定性(Marangoni效应、Leidenfrost效应、Rayleigh Taylor不稳定性、Kelvin-Helmholtz不稳定性等)影响,夹裹型结构发生碎化的主要原因是内部冷却水暴发性膨胀。开展了1kg以上尺度的熔融金属铜液柱与冷却水相互作用实验研究。在实验中对液柱与冷却水接触所产生的蒸汽膜厚度以及碎化产生的冲击波超压进行了分析研究,发现实验高度的增加,碎化产生的冲击波超压有明显增强。其次,针对1kg以上尺度的熔融金属铜液柱发生碎化后的超压数值研究表明,熔融铜液柱与水发生碎化的能量转换率很小,说明熔融金属铜液柱与冷却水相互作用的过程中以冲击波形式表现出来的能量很小,很大一部分能量经过传热耗散在空气和冷却水中了。