核動力船舶主控室氣載放射性濃度場分析

譚 冰，唐耀陽，吳榮俊，許 滸，郭智榮

(1．武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064;2．海軍駐431 廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島125004)

0 引 言

核動力船舶裝置一回路發(fā)生事故破損后，放射性物質會泄漏到反應堆鄰近的主控室內。污染的空氣會使人員持續(xù)受到內照射和外照射傷害，這種傷害對處在封閉環(huán)境下的人員尤其嚴重。優(yōu)化設計主控室內通風能夠合理控制氣載放射性物質的分布，為工作人員提供良好的工作環(huán)境［1］。

本文利用Airpak 程序，利用2 種不同的通風方案，對主控室內的氣載放射性物質濃度與分布進行了模擬和研究，選出最優(yōu)化的一種方案，將氣載放射性物質控制分布在無人員崗位區(qū)域。

1 模型和邊界條件

1.1 流體數學模型

在船舶艙室內，氣體擴散過程是湍流，用k －ε 湍流模型進行模擬。k － ε 模型包括的控制方程有:

連續(xù)性方程(質量守恒方程):

動量方程:

能量方程:

湍流動能方程(K 方程):

湍流能量耗散率方程(ε 方程):

1.2 物理幾何模型

研究對象為船舶主控室。主控室內設備和管道繁多，結構復雜，以典型的主控室布置為原型，并對設備進行外形簡化，省去尺度較小設備和管路，以便對物理模型進行網格化處理。主控室內設備主要有物理室、化學室和控制臺屏等。建立的三維模型如圖1 所示。

圖1 主控室?guī)缀文Ｐ虵ig.1 Geometrical model of master control room

1.3 邊界條件設置

利用Airpak 進行網格的劃分工作，因主控室內結構較為復雜，本文采用六面體非結構化網格，通風口處進行網格局部加密，網格數量為220 000。

假定核反應堆艙室向主控室泄漏率為1% Vr/h。另假定在泄漏過程中破口當量保持不變，泄漏率也同時保持不變，每個泄漏口的泄漏量為0.8 m3/h。

2 通風設計方案

艙室環(huán)境對船內人員的身心健康，工作效率有著非常重要的意義［2］。船舶通風設計是在保證船舶運行安全的條件下，最大限度保障船內人員的工作、生活舒適度［3－4］。

通風方案1 見圖1，進風管道在舷右側，出風管道在舷左側，有1 個進風口，2 個出風口，將泄漏點簡化為5 個圓形泄漏口，分布在主控室的前壁處。進風口和出風口面積為0.196 m2，設置主控室內設備材料為鐵，使用理想流體進行模擬，選擇流動計算模型為k －ε 兩方程模型。設置好重力方向及大小，通風口的流場邊界條件如表1 所示。

表1 主控室通風方案1Tab.1 Ventilation plan A of master control room

船舶艙室的通風效果不僅與通風量有關，而且也和艙室內合理的氣流組織有關，合理的氣流組織可以改善艙室內局部的通風環(huán)境，降低污染物聚集濃度，提高了艙室的安全性［5］。為獲得更佳的通風效果，調整方案如圖2 所示，進風管道在舷左側，出風管道主控室后壁處，進風口為2 個，出風口為1 個，泄漏點簡化為5 個圓形泄漏口，分布在主控室的前壁處。選擇流動計算模型為k － ε 兩方程模型。通風口的流場邊界條件如表2 所示。

表2 主控室通風方案2Tab.2 Ventilation plan B of master control room

圖2 方案2 中通風口位置圖Fig.2 The position of inflow and outflow in plan B

3 模擬計算與結果分析

3.1 計算結果

設置好迭代收斂的準則，精度及迭代步數。調用Fluent 進行計算。

根據計算結果，截取Z = 0.6 m，Z = 1.3 m，Z = 1.8 m 處的界面，氣載放射性物質分布如圖3所示。主控室的物理模型Z 方向為從主控室鋪板向上的方向，Z = 0 為鋪板處，長度單位是m。泄漏氣體濃度場中，顏色表示堆艙泄漏出來的氣載放射性物質活度濃度。圖上淺灰區(qū)域的氣載放射性物質分布最多，相應區(qū)域內的放射性也最高，艙里的工作人員應該避免處于該區(qū)域。

圖3 方案1 截面濃度場Fig.3 Concentration distribution of plan A

同理，選取Z = 0.6 m，Z = 1.3 m，Z = 1.8 m處的截面，方案2 的計算出主控室內濃度場分布的結果如圖4 所示。

圖4 方案2 截面濃度場Fig.4 Concentration distribution of plan B

3.2 濃度場分析

方案1 計算結果顯示理想的工作區(qū)域主要集中在控制臺屏6、控制臺屏8 與物理室和化學室中間這一區(qū)域，這一區(qū)域設置人員的崗位是安全的。濃度最高為控制臺屏1 ～4 與首部之間這一區(qū)域，靠近艙壁部分最高。濃度較低的是物理化學室與右舷側壁之間;控制臺屏6、控制臺屏8 與左舷側之間的區(qū)域。

方案2 計算結果顯示氣流場分布具有如下特征:首部的通風氣流從左舷吹向右舷，形成一定的氣幕阻擋了堆艙泄漏的氣體向尾部流動。

氣載放射性物質濃度分布主要特點如下:

1)主要泄漏氣體高濃度區(qū)域有:主控室首部控制臺屏與首部隔壁之間、主控室頂部靠近首部等區(qū)域以及物理化學室與右舷艙壁之間的區(qū)域;

2)從泄漏氣體濃度分布上可以更明顯看出絕大部分泄漏出來的氣體被約束在主控室首部控制臺屏與首部隔壁之間，首部送風區(qū)域形成的氣幕作用明顯;

3)堆艙泄漏的氣體也存在一定的擴散，通過優(yōu)化已將氣載放射性物質壓制在物理化學室后面無人區(qū)，主要工作區(qū)域的濃度值已經明顯降低。

4 結 語

通過Airpak 對船上氣載放射性物質的分布情況進行模擬分析，得出在最先通風條件下，人員工作處的氣載放射性濃度較大。后通過優(yōu)化船上通風，將氣載放射性物質約束在主控室首部控制臺屏與首部隔壁之間、物理化學室后面無人區(qū)。明顯降低了主要工作區(qū)域氣載放射性的濃度值。有效阻止了通風氣流從高放射性區(qū)域向低放射性區(qū)域流動，降低含有放射性物質的空氣擴散，保障了艙室工作人員的安全。

［1］江寧，宋福元，李彥軍，等.船舶機艙通風數值模擬分析［J］.艦船科學技術，2012，34(8):52 -55.JIANG Ning，SONG Fu-yuan，LI Yan-jun. Numerical simulation of ventilation and analysis in ship engine room［J］.Ship Science and Technology，2012，34(34):52 -55.

［2］Literature survey on how different factors influence human comfort in indoor environments ［J］. Building and Environment，2012(46):922 -937.

［3］陳文戰(zhàn).艦船艙室環(huán)境工程技術綜述［J］. 中國艦船研究，2012(7):83 -87.CHEN Wen-zhan.A review of environmental engineering of ship′s cabin［J］. Chinese Journal of Ship Research，2012(7):83 -87.

［4］金小闖，蔣合葉，黃林峰. 船舶艙室通風設計與分析［J］.機電信息，2013(24):154 -155.JIN Xiao-chuang，JIANG He-ye，HUANG Lin-feng.Analysis and design ventilation in ship′ s room［J］.Mechanical and Electrical Information，2013 (24):154-155.

［5］陳寧，張棟.船舶機艙機械通風的計算與氣流組織分析［J］.艦船科學技術，2009，31(3):73 -74.CHEN Ning，ZHANG Dong. Calculation of artificial ventilation and analysis of airflow in ship engine room［J］.Ship Science and Technology，2009，31(3):73 -74.