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1、用CFD分析气溶胶重力沉降行为的影响因素摘要:CFD分析是气溶胶迁移的模拟方法之一。利用FLUENT程 序中的离散相模型，可以分析包括重力沉降在内的各种气溶胶迁移行 为。使用“气溶胶迁移机理试验”作为算例，通过CFD分析，对比了不同 条件下试验容器内气溶胶份额的变化情况，得出影响气溶胶重力沉降 行为的影响因素为气体速度和颗粒粒径，为“气溶胶迁移机理试验”提 供了参考。关键词:气溶胶重力沉降气体速度颗粒粒径在核电厂严重事故情况下，放射性物质会以气体、蒸汽和气溶胶 等形式释放。气溶胶是悬浮在气体中的固态或液态颗粒，其典型粒度 为0.01100顷1。严重事故情况下安全壳内的气溶胶行为较为复杂, 受环
2、境气流状况、热工水力状况及气溶胶粒径分布等因素影响，关系 到放射性产物的释放，在反应堆安全领域受到重点关注。研究严重事故情况下气溶胶迁移的方法主要有实验研究和数值 模拟。实验研究能够在实验室内测量、采样和分析，但花费巨大。而 数值分析可以作为实验研究的替代，可以同时模拟多种不同工况，具有 花费小，速度快的优势。数值模拟可以通过实验数据进行验证,通过对 参数设置和模型选择进行评估，提高数值模拟的可信度;实验研究可以 参考数值模拟的结果，调整实验方案，以获得最佳的实验结果。利用 FLUENT程序中的离散相模型，可以对气溶胶在不同工况下的迁移进 行模拟，明确气溶胶的迁移及其分布的机理，有助于对严重事
3、故下气溶 胶行为形成更加深刻的认识。我国引进并在建的AP1000核电厂，采用双层安全壳和非能动安 全壳冷却系统(PCCS),为了研究在严重事故情况下,PCCS对安全壳内 放射性气溶胶行为的影响，我们承担了“气溶胶迁移机理试验”课题。通 过CFD方法的FLUENT程序对气溶胶重力沉降行为的影响因素进行 分析,可以为“气溶胶迁移机理试验”提供参考。1程序计算模型FLUENT程序中通过积分拉格朗日坐标系下的颗粒作用力微分 方程求解离散相颗粒的轨迹。颗粒的作用力平衡方程在X方向的形 式为：FLUENT程序计算过程中,要从整体上对气流进行计算，参考欧共 体ECORA项目提出的准则，主要采用的是标准湍流模
4、型4。同时，使 用离散相模型处理作为离散相的气溶胶5。对于非稳态的离散相求 解问题，在FLUENT程序中考虑离散相对流场有影响的情况，即相间耦 合计算，离散相的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场又影响离 散相的分布。在非稳态离散相问题的求解策略中，首先创建离散相入 口，初始化流场后，设定求解的时间步长和时间步数，由于是耦合流动， 颗粒的位置会在每个时间迭代步的相间耦合计算过程中得到更新 2。2计算域及边界条件计算区域为一圆柱形容器，包括上、下封头，圆柱形筒体和入口管 道。上、下封头及圆柱形筒体的总高1400 mm,圆柱形筒体内径600 mm, 入口管道内径12 mm。网格划分如图1所示,共
5、划分539982六面体网格，在壁面附近做边 界层网格加密处理。计算的物理过程为,0400 s建立稳定流场;4001000 s为气溶胶 注入阶段，气溶胶由上部气溶胶入口进入容器;1000 11000 s为气溶 胶演化阶段,停止注入气溶胶,继续从入口通入气体,对容器内气溶胶 起到搅匀作用，气溶胶在容器内迁移，并沉积到各个壁面。在11000 s 时，容器气空间内气溶胶的质量浓度下降1个数量级以上，可结束计 算。在FLUENT程序中，气溶胶入口的边界条件设置为速度入口，该入 口注入由气体输运的气溶胶，输运气体为空气;气溶胶速度与气体载流 速度相同，颗粒的粒径均一，质量流量为2.5x10-8 kg/s。
6、3结果分析及讨论由于严重事故下，气溶胶伴随着气体进入安全壳大气中。而在试 验过程中，气溶胶由气溶胶发生器产生，由载流气体携带进入试验容器 内。因此，需要计算并讨论不同的入口气体速度对气溶胶迁移的影响。 同时，通过公式2、3可以看出，气溶胶的颗粒粒径影响颗粒所受的重力 和空气动力学阻力。因此，本文主要探讨这两种因素对气溶胶重力沉 降的影响。3.1气流速度的影响由于试验采用的气溶胶发生器的气泵能力为515 L/min,在入口 直径已知的情况下，换算成入口气流速度为0.180.55 m/s,可选取 0.36 m/s和0.54 m/s进行比较计算。我们就气溶胶演化阶段分析容器 内气体的速度。气流在进入
7、容器后速度逐渐下降，通过FLUENT程序的计算得到: 入口速度为0.36 m/s的情况下，容器内气体的平均速度为0.0076 m/s; 入口速度为0.54 m/s的情况下，容器内气体的平均速度为0.0139 m/s。 在气体速度的作用下，能够很好的搅混容器内的气溶胶,使其达到均匀分布的状态。在标准温度(300 K)和标准压力(1atm)下，对忽略滑流，颗粒直径在 1100pm的球形颗粒，气溶胶在重力场中的最终沉降公式为：其中pp为颗粒密度，取1000 Kg/m3,dp为颗粒直径，取5 pm。计算 所得颗粒最终重力沉降的运动速度为7.5x10-4 m/s。可以发现,整个演 化阶段，气流的速度都大
8、于颗粒重力沉降的运动速度，将对气溶胶沉积 产生影响较大。图2中气溶胶沉积份额为气溶胶沉积质量占注入气溶胶总质量 的比值，可以看出，在演化阶段，容器空间内气溶胶沉积速度受到了气 体流动速度的影响。入口初速为0.54 m/s的情况由于在演化阶段气体 速度大，导致沉积速度明显快于入口初速为0.36 m/s的情况。可见越 大的入口气流速度会导致容器内部气体速度越大，就越能够加速气溶 胶的沉积。3.2气溶胶粒径的影响在气溶胶密度确定的情况下，气溶胶粒径将影响气溶胶颗粒所受 到的重力和空气动力学阻力。通过将气溶胶颗粒粒径设置为2pm和 5pm,计算在相同条件下气空间内气溶胶质量浓度的变化情况。图3中可见，
9、气溶胶颗粒粒径分别为2pm和5pm情况下，气溶胶沉积份额的变化相差较大。气溶胶颗粒粒径越大,FLUENT程序计算得 到的气溶胶沉积的速度越快。综上所述，在气溶胶重力沉降行为的计算中，影响气溶胶迁移和沉 积的作用力主要为重力和空气动力学阻力,具体的影响因素主要为容 器内气体速度和气溶胶颗粒粒径:容器内气体速度越快，气溶胶沉积速 度越快;气溶胶颗粒粒径约大，气溶胶沉积速度越快。4结论计算并讨论气溶胶重力沉降行为的影响因素，有助于明确气溶胶 迁移行为的机理，对核电厂严重事故下气溶胶行为形成更加深刻的认 识;也有助于试验准备阶段选择合适的参数，并判断装置内气溶胶浓度 的变化状况，为后续试验过程提供参考
10、。参考文献1 Paul A.Baron.Klaus Willeke,著 .气溶胶测量:原理、技术及应 用M.白志鹏张灿,等，译.北京:化学工业出版社，2007:47-492 Fluent INC.FLUENT 6.3 User´sGuideR.FLUENT documentation20063 卢正永.气溶胶科学引论M.北京：原子能出版 社,1999:23-33.4 Andreani MHaller KHeitsch Met al. A benchmark exercise on the use of CFD codes for containment issues using best practice guidelines:a computational challengeJ. Nuclear Engineering and Design2008238(3):502-513.5 PamelaLongmire.ComputationalFluidDynamics(CFD)Simulations of Aerosol in a U-Shaped Steam Generator TubeD.Submitted to the Office of Graduate Studies of Texas A&M University,2007:38-70.
