基于航空發動機的污染壓制裝置數值模擬

王 亮，范 強，周 瑾

(96879部隊， 陜西 寶雞 721012)

基于航空發動機的污染壓制裝置數值模擬

王 亮，范 強，周 瑾

(96879部隊， 陜西 寶雞 721012)

現有污染壓制裝備存在作業距離太近，無法滿足大面積污染壓制的需求；通過仿真計算研究工質與燃氣流的摻混機理，得到了使用壓制去污劑時的作業范圍和效果，探尋了航空發動機應用于污染壓制裝備的可行性。

航空發動機； 核事故應急；數值模擬

1 研究背景

在核事故發生后，空氣中的氣溶膠會迅速擴散到很大的區域[1]，目前國內配備的壓制去污劑噴灑車，有效射程只有三十多米[2]，不僅效率較低，而且操作人員需跟隨進入污染區域作業，處置人員生命安全無法得到保障。

國內壓制裝備全部由消防裝備改造，主要是利用泵作為動力源進行壓制去污劑的噴灑作業。根據實際作業情況來看，對于小面積污染壓制有一定的效果，一旦污染面積增大，就存在作業效率低下的問題。對于這一問題的解決方案現在主要集中在增大泵的功率、增加噴灑高度上，這一方案在一定程度上可以解決問題，但成本過于高昂。目前，航空發動機已大量運用于發煙機裝置上，其工作原理與目前的壓制去污作業相近，同時價格低廉[3]。如果能用航空發動機噴射的高速氣流將壓制去污劑帶到更大范圍的區域，就能有效改善污染壓制作業現存的這一難題。

壓制去污劑的物理性質與發煙機常用的煙霧油有較大差異，密度和粘度等參數都有明顯增大，航空發動機經過改裝，作業范圍有多大，是否能達到壓制所需的技術要求，尚不清楚。本文對工質與燃氣流的摻混機理進行仿真計算，探尋航空發動機在核事故應急處置中運用的可行性。

2 工質與燃氣流的摻混機理

2.1 基本模型

噴口伸入套筒部分的尺寸為：0.16 m(寬，X方向)×0.51 m(高，Y方向)，套筒尺寸：1.07 m(寬，X方向)×0.6 m(高，Y方向)。噴口從套筒左側邊緣伸入，兩部分中心軸重合。距套筒左側邊緣0.265 m處上下各有一工質注入口，寬0.003 m，高0.02 m，其基本結構如圖1所示。工作區域為套筒右邊緣外側長200 m，高50 m的區域，下部為地面，設置為wall，其他三面自由流動，不進行設置。

圖1 結構示意圖

采用考慮組分擴散的二維非定常N-S方程，采用隱式算法，時間計算采用二階隱式方法，黏性采用k-ε兩方程湍流模型，空氣密度ρ=1.225 kg/m3，比熱Cp=1 006.43 J/(kg·K)，熱傳導系數λ=0.024 2 W/(m·K)，黏性系數μ=1.789 4×10-5kg/(m·s-1)，工質密度ρ=998.2 kg/m3，比熱Cp=4 182 J/(kg·K)，熱傳導系數λ=0.6 W/(m·K)，粘性系數μ=1.003×10-3kg/(m·s)。

2.2 濃度計算

套筒放于地面，軸線平行于地面，噴口噴射速度為2 000 m/s，兩個工質出口工作效率為0.6 kg/s。

圖2為不同時間空氣的流動情況。

為便于分析，以t=60 s為例，導出速度矢量圖，如圖3。

可以看出氣體在工作區域形成了兩個渦流，中心分別距套筒右邊界60 m和150 m，高度距地面27 m和34 m。對其他時間的空氣速度矢量圖進行分析，可以得到空氣在噴出套筒后的流動情況：氣體剛從套筒中噴出時，沿地面向前高速運動，由于下方為地面，受自身擴散影響，形成向上方擴散的趨勢。逐漸形成兩至三個較大的渦流，渦流隨時間不斷增強，互相合并形成一到兩個更大的渦流。在工作區域內，氣體一直處于動態平衡，各點的氣體速度和流向規律都不一樣，無法得出有用的結論。但在整體上，多數區域空氣流速差別不大，渦流中心的移動在局部會有一定差異。

圖2 空氣流動情況

圖3 t=60 s時速度矢量圖

圖4給出了不同時間工質的流動情況。

工質初始速度較小，主要被空氣帶動向外噴出，在運動的初期，速度明顯較空氣速度要小得多，擴散也較空氣要慢，隨著時間逐漸接近空氣流動速度，其運動軌跡也與空氣的一致，沿著空氣形成的渦流擴散。在流動速度上，與空氣相比，速度要低一個數量級，整體速度變化與空氣相比，有一定時間的滯后。

在噴灑作業時，表現為洗消去污劑從套筒中噴灑出來，在距噴口60 m、150 m處向上方擴散，沿著兩個空氣渦流散布到整個工作區域中。

圖4 工質流動情況

圖5為工質在工作區域的組分占比情況。

通過圖5可以看出，工質的擴散是從套筒出口處開始，從近至遠，沿著空氣形成的渦流逐漸分布到整個工作區域，隨著工作時間的增長，逐步均勻分布，在部分區域可能占比較大，主要是因為自身擴散所致，對整體影響不大。在前期，工質隨空氣擴散，在工作區域內分布不均勻，但一分鐘內，工質就擴散到整個工作區域。之后隨時間增加，工質在工作區域內的占比不斷上升。在局部地區，工質可能分布不均勻，部分區域工質較為集中，但這一現象是因為渦流的氣體流動不均勻引起的，工質集中的區域也不斷變化，并沒有特定區域工質堆積嚴重的現象。

圖5 工質組分占比

圖6 工質占比圖

以上這組圖(如圖6)可以直觀的看出工質在不同距離上的組分占比情況，在120 s內工質所占體積分數在絕大多數區域超過1‰，在180 s內工質所占體積分數在絕大多數區域超過5‰

3 結論

工質在被空氣帶出噴口之后，隨空氣擴散到整個工作區域，其運動規律與空氣流動規律相近，開始隨空氣形成的數個小渦流擴散，在渦流增強合并后在更大范圍內擴散，在60 s內就可以均勻分布到整個工作區域，并隨工質時間增加，在工作區域內的占比逐漸增大。通過計算，設計的裝置在進行洗消作業時能在120 s內讓工質散布到200 m遠，50 m高的區域內，工質所占體積分數在絕大多數區域超過1‰，在180 s內工質所占體積分數在絕大多數區域超過5‰，能夠滿足污染壓制相關要求[4]。

[1] 張建崗，姚仁太.福島核事故對中國的影響及應急經驗[J].輻射防護,2012,32(6)：362-372.

[2] 丁立虎.反應型壓制去污劑噴灑車訓練教材[M].北京：火箭軍司令部出版社,2016.

[3] 潘寧民.發煙機動力裝置發展趨勢[J].航空發動機,1999(3)：59-62.

[4] HJ/T61—2001,輻射環境監測技術規范[S].2001.

(責任編輯周江川)

NumericalSimulationofPollutionSuppressionDeviceBasedonAeroengine

WANG Liang, FAN Qiang, ZHOU Jin

(The No.96879thTroop of PLA, Baoji 721012, China)

The existing pollution suppression equipment in China has a problem of short working distance to meet the demand of massive pollution suppression. In order to solve the problem, in this article, the mixing mechanism of working fluid and gas flow is studied by simulation, and the range and effect of using detergent were obtained, and the feasibility of applying aeroengine to pollution suppression equipment is explored.

aeroengine; nuclear accident emergency; numerical simulation

2017-05-11；

2017-07-30

王亮(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事核事故應急研究。

裝備理論與裝備技術

10.11809/scbgxb2017.11.018

本文引用格式：王亮，范強，周瑾.基于航空發動機的污染壓制裝置數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2017(11):81-84.

formatWANG Liang, FAN Qiang, ZHOU Jin.Numerical Simulation of Pollution Suppression Device Based on Aeroengine[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):81-84.

TJ417

A

2096-2304(2017)11-0081-04