鈉火事故下工藝間氣溶膠分布影響分析

常一狄+杜海鷗

摘 要：鈉工藝間發(fā)生火災(zāi)之后針對房間的清洗需要了解火災(zāi)發(fā)生過程中鈉氣溶膠在室內(nèi)的沉積情況，對管道設(shè)備的防護也需要了解室內(nèi)鈉氣溶膠的沉降。通過建立火災(zāi)房間三維模型，劃分網(wǎng)格，選擇湍流模型通過FLUENT程序?qū)馂?zāi)房間在不同通風(fēng)工況下氣體流動特性進行數(shù)值計算，對比無熱源情況下影響室內(nèi)氣溶膠沉積的因素，為下一步分析室內(nèi)鈉氣溶膠沉積狀況提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鈉氣溶膠 通風(fēng)工況 氣流特性 沉降 FLUENT

中圖分類號：TL36 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0103-03

CEFR使用液態(tài)鈉作為冷卻劑，在一回路冷阱間發(fā)生管道破裂出現(xiàn)泄漏產(chǎn)生鈉火，金屬鈉在燃燒過程中產(chǎn)生大量鈉氣溶膠，其成分主要包括鈉的氧化物、鈉的氫氧化物以及碳酸鹽，鈉氣溶膠成分復(fù)雜，對人體極其有害，并且具有強腐蝕性，對工藝間管道以及設(shè)備會造成損害[1]。因此針對事故房間內(nèi)鈉氣溶膠沉積情況進行分析。

鈉火事故中房間產(chǎn)生大量鈉氣溶膠，在通風(fēng)情況下，由于房間換氣量達到10次/h[2]，影響鈉氣溶膠空間分布以及沉積的因素包括有熱泳力、湍流曳力、布朗擴散、重力沉降、慣性沉降等[3]。通風(fēng)工況下房間內(nèi)流場比較復(fù)雜，根據(jù)鈉氣溶膠成分分析，其質(zhì)量密度遠遠大于空氣密度，而它空間分布的體積分數(shù)較低。針對火災(zāi)產(chǎn)生鈉氣溶膠在氣體流場中的流動沉降數(shù)值分析中，需要知道氣體流場的流動特征、溫度場特點，并對影響鈉氣溶膠顆粒的空間分布以及顆粒沉降的因素進行進一步分析。

1 流場模型

1.1 氣體相流動方程

室內(nèi)設(shè)備復(fù)雜，存在正常通風(fēng)以及事故排煙通風(fēng)2種通風(fēng)工況，通過之前很多實驗研究分析，在此類通風(fēng)工況下，房間內(nèi)的流場分析采用RNGκ-ε模型與實驗的擬合度比較高。

1.2 顆粒相受力分析

顆粒受力微分平衡方程（顆粒慣性=作用在顆粒上各種力）為：

式中，右邊第一項為單位質(zhì)量顆粒所受到的阻力，相對雷諾數(shù)，，第二項為重力項。其中u為流體速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；gx為外力對顆粒加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑；Fa為作用在顆粒上的其他附加力；Fx為在某些情況下其他的一些重要作用力。一般來說，這些力包含有熱泳力、質(zhì)量力、由壓力梯度產(chǎn)生的作用力、Basset力、布朗力等。其中熱泳指的是懸浮在具有溫度梯度的氣體流場中的顆粒，受到了與溫度梯度相反的作用力。在該次計算過程中，室內(nèi)溫度場變化較大，故需考慮。其表達式為：

其中，DT，p為熱泳系數(shù)。

當假定鈉火燃燒生成氣溶膠按照一定的速率從熱源面釋放出來，通過顆粒受力方程觀察得到，溫度、顆粒的粒徑以及流場流速對其運動影響較大。而在該次分析過程中，由于燃燒放熱、溫度梯度較大，以及顆粒物粒徑變化，所以在此分析溫度場流場以及粒徑對顆粒物沉降的影響。

1.3 房間模型建立

事故房間的示意圖如圖1所示。

網(wǎng)格劃分運用ICEM程序進行劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分，獲取非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格。由于在風(fēng)量進出口存在速度梯度較大、發(fā)熱面處的溫度場梯度問題，需要提高計算精度，對這些區(qū)域的網(wǎng)格進行加密。

正常通風(fēng)進口處設(shè)置為速度入口，根據(jù)工程設(shè)置房間換氣量要求得到入口速度為2.7 m/s，空氣為20 ℃，正常通風(fēng)出口為質(zhì)量出口，事故排煙口為壓力出口，發(fā)熱面釋放熱量為20 kW/m2，邊界為無滑移邊界，墻壁溫度初始值均為20 ℃。由于房間內(nèi)燃燒過程放出大量的熱，流體溫度變化較大，其物性參數(shù)設(shè)置為逐段線性。

2 模擬結(jié)果以及分析

2.1 流場分析

仿真計算最后得到房間內(nèi)在正常通排風(fēng)以及事故排風(fēng)下室內(nèi)的流場分布圖，如圖2、圖3所示。

圖2、圖3給出了在右下進風(fēng)左上排風(fēng)模式下的室內(nèi)正常通風(fēng)以及發(fā)生火災(zāi)事故下中心切面上的氣體流場分析，在正常通排風(fēng)流場中（圖2），在右下側(cè)的進風(fēng)口處速度較大，上部的排風(fēng)口附近流場也與實際較一致，其流場特征比較明顯。同時，房間內(nèi)流場穩(wěn)定，只有在冷阱設(shè)備與墻壁的接近處，呈現(xiàn)出湍流現(xiàn)象。由此分析在此區(qū)域內(nèi)，小顆粒的鈉氣溶膠粒子可能不能像大顆粒一樣通過重力沉降而沉積在該區(qū)域。在事故排煙流場（圖3）中，底部存在一個燃燒熱源，由于鈉燃燒熱量比較大，明顯看出房間中央流場呈現(xiàn)出熱對流流動，即為主要受到熱泳力的影響。通風(fēng)僅僅對靠近通風(fēng)墻壁處流場有擾動。在經(jīng)典實驗[3]通過流場模擬氣溶膠顆粒的沉降中得到當氣溶膠顆粒粒徑小于5 μm時，受到氣流擾動以及溫度場作用較大，而當顆粒粒徑大于5 μm時，主要受到重力沉降而沉積下去。該結(jié)論與上述流場分析而得到的結(jié)論相一致。

2.2 溫度場分析

在不同的通風(fēng)模式下當房間發(fā)生鈉火事故，室內(nèi)溫度場的分布如圖4所示。

在通過正常通風(fēng)系統(tǒng)右下進氣，左上排氣情況下，其中心縱切面x=2.5 m處溫度場如左圖，高度1 m平面處溫度場如右圖所示。左圖中溫度場隨著高度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，由于房間尺寸較大、熱源處溫度較大，中心浮升力起到較大作用，熱氣流上升、冷氣流下降，并出現(xiàn)繞x方向的環(huán)流，故此房間內(nèi)溫度出現(xiàn)左圖所示中間溫度略低，而上部溫度高于中間的分布。而在右圖中，由于入口風(fēng)速影響，明顯出現(xiàn)進氣口附近氣流溫度較低，溫度場呈現(xiàn)從右向左的增大。

在事故排風(fēng)左下側(cè)進風(fēng)，左上排風(fēng)情況下，溫度場如圖5所示。

在圖5中發(fā)現(xiàn)溫度場受到通排風(fēng)口位置的影響出現(xiàn)了明顯的變化，與正常通風(fēng)下的溫度場變化區(qū)別較明顯，室內(nèi)空間橫切面上溫度場分布明顯受到浮升對流影響，只有在水平分布上受到進氣流影響較大。

綜上分析得到，在鈉火燃燒過程中，工藝間的溫度梯度較大，其熱泳力對于鈉氣溶膠顆粒的影響較大，不可忽略，同時針對房間內(nèi)的通風(fēng)模式會對流場的分布有影響，造成房間內(nèi)流場會出現(xiàn)局部湍流，并對不同粒徑鈉氣溶膠沉積位置產(chǎn)生較大影響。

鈉氣溶膠其性質(zhì)跟普通氣溶膠不同，成分復(fù)雜，SUMMARY OF HEDL SODIUM FIRE TERTS中給出了鈉火事故中鈉氣溶膠成分分析[4]，根據(jù)其結(jié)論，計算得到鈉氣溶膠等價密度為2 600 kg/m3。其粒徑分布函數(shù)經(jīng)試驗測定為服從對數(shù)型正態(tài)分布[5]，分布函數(shù)為：

其中：r為氣溶膠粒子的半徑；rg（t）為氣溶膠粒子數(shù)量中值半徑；為氣溶膠粒子尺寸標準偏差。由于鈉氣溶膠顆粒性質(zhì)多變，且在生成過程中發(fā)生凝集作用，小顆粒份額減少，因此在計算實驗過程中僅考慮部分特征粒徑的顆粒進行追蹤分析。在文獻3的實驗結(jié)論中，無熱源情況下，針對鈉氣溶膠顆粒物粒徑選取0.5 μm、1.5 μm、2.5 μm、5.0 μm這4種粒徑的顆粒物進行追蹤。結(jié)論是沉降份額隨著粒徑變大，沉積更快，份額更多。當有熱源存在時，特別是這種火災(zāi)發(fā)熱量大的狀況下，溫度梯度對小顆粒物影響更大。此實驗數(shù)據(jù)與上文中通過流場分析得到的結(jié)論較為一致。

3 結(jié)論

通過上述分析，得到影響鈉氣溶膠在火災(zāi)通風(fēng)房間內(nèi)的沉降因素結(jié)論如下。

（1）在各種送風(fēng)工況下，由于金屬鈉的燃燒，房間內(nèi)出現(xiàn)較好的溫度梯度，熱泳力對鈉氣溶膠顆粒的影響較大，不可忽略。

（2）由于通風(fēng)模式的不同，影響室內(nèi)氣流的流動，室內(nèi)氣流同時受到浮升力以及強迫對流的影響。對于鈉氣溶膠顆粒而言，其在房間角落會受到湍流影響，只有大顆粒會出現(xiàn)部分沉降，小顆粒受到熱泳力以及流場作用力會長時間漂浮在空中。

（3）粒徑大于5 μm的鈉氣溶膠顆粒受到重力沉降作用更加明顯，更容易在復(fù)雜流場中沉降下去。小粒徑的顆粒物受到熱泳力作用不可以忽略，在流場阻力以及其他作用力下行為更復(fù)雜。因此針對鈉氣溶膠復(fù)雜的物化特性需要對其進一步研究，為之后鈉火事故中鈉氣溶膠在室內(nèi)沉降分布實驗提供參考。

參考文獻

[1] Susumu KITANI，Hiroshi MATSUI，Seiichiro UNO.Behavior of Sodium Oxide Aerosol in a Closed Chamber[J].Journal of Nuclear Science and Technology，1973，10（9）：566-573.

[2] 中國原子能科學(xué)研究院快堆設(shè)計研究所.中國實驗快堆最終安全分析報告[Z].內(nèi)部資料，2008.

[3] Lu W，Howarth A T，Adam N，et al.Modeling and measurement of airflow and aerosol particle distribution in a ventilated two-zone chamber[J].Building and Environment，1996，31（5）：417-423.

[4] J.D. McCormack，R.K. Hilliard，A.K. Postma.SUMMARY OF HEDL SODIUM FIRE TERTS AND COMPARISON WITH COMPUTER CODES [R].American Nuclear Society International Meeting Fast Reactor Safety Technology，1979.

[5] 孫大杰，張東輝，任麗霞，等.鈉氣溶膠粒子在事故通風(fēng)管道中的沉降研究[J].核動力工程，2014（6）：172-175.