大封閉區域示蹤氣體混合均勻性數值模擬與試驗對比

高磊，黃海濤，劉祥祥，袁會勇

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

示蹤氣體技術是檢測大封閉區域泄漏的常用方法，許多泄漏是傳統檢漏方法無法使用的，例如大型密封容器，氦質譜檢漏無法實施，而示蹤氣體技術的適用性更廣泛，其在大氣污染物擴散和傳輸研究、建筑物通風設計、泄漏檢測等方面應用非常廣泛。示蹤氣體技術有3種方法：濃度衰減法、恒定濃度法、恒定流量法。該技術的一個重要內容是區域內示蹤氣體與空氣混合均勻，在礦井工作面通風研究中，如果六氟化硫與空氣混合不均勻，在取樣分析后，六氟化硫濃度隨時間的變化就不是簡單的指數關系。本文以某大封閉區域為例，通過試驗與計算機模擬的方式來計算示蹤氣體與空氣的混合，以此為基礎，初步提出示蹤氣體與待測區域內空氣快速混合的方式。

1 數值模擬

1．1 物理模型

圖1為某空間平面分布圖，圖2為計算用物理模型，x=9.6m和y=8.4m平面分別為送風口剖面，z=1.85m和z=0.2m分別為架空地板以上1.5m高度和以下0.15m高度處的平面。

圖1 計算用物理模型平面圖

1．2 數序模型

針對圖1和圖2給出的求解區域模型，首先需要求解室內空氣流場。在模擬過程中，假定室內空氣的流動為三維、穩態、連續不可壓縮湍流流動，并且滿足質量、動量和能量守恒定律。在動量方程中，考慮了示蹤氣體與空氣密度差形成的浮力作用，并將空氣當作不可壓縮理想氣體處理。

圖2 計算用物理模型透視圖

根據上述限制，所研究問題應遵守的質量和動量方程可表述為：

采用RNGk—ε模型來實現方程的封閉，該模型在研究低雷諾數流場時，被普遍采用。

在解出流場的基礎上，計算示蹤氣體濃度分布。示蹤氣體濃度滿足以下質量守恒定律：

式中：C為示蹤氣體濃度；K為擴散系數，與流場和示蹤氣體密度有關；Qε為示蹤氣體注入量。

1．3 數值處理方法

采用FLUENT中的混合模式求解濃度分布，考慮到不同氣體間密度差別造成的浮力作用，在數值求解中，通過設置

滑移速度 項，來計算示蹤氣體相對于空氣的下沉速度。

對于區域內控制正壓的余壓控制器和濃度分布時空變化造成的回風濃度與送風濃度變化等問題，我們引入FLUENT用戶自定義函數(UDF)來解決。

1．3．1 用戶自定義程序的編寫

在數值模擬過程中，涉及到在FLUENT軟件中沒有的一些計算程序，需要進行編程，繼而通過用戶自定義端口導入計算軟件中。主要包括以下2個方面。

（1）室內正壓或負壓的分布。FLUENT已有程序中，僅包括送風量與排風量相等的設置，而該區域維持正壓，其排風量小于送風量。

（2）示蹤氣體排風濃度的調整。在示蹤氣體釋放過程中，室內濃度逐步升高，因此，排風口濃度也在從0逐漸升高到穩定值的變化過程中。

1．3．2 計算邊界條件與簡化

室外空氣環境視作近似靜風環境，故環境風速設為0.1m/s。室內部管線和設備復雜，邊界上較大的構件需畫出對應網格，但對于尺寸較小的設備和管線，則可以采用流體力學中設置表面粗糙度的方法來模擬這些構件對流場和濃度場的影響。

在FLUENT中，整個粗糙區域可分為3個子區域，即光滑區、過渡區和完全粗糙區。過渡粗糙區可以作為簡化管線模擬過程的臨界值。過渡區域粗糙函數ΔB表示為：

2 人工氣候室的對比試驗

實測所用的人工氣候室位于大實驗室內，具體位置見圖3(a)。人工氣候室內部尺寸為3.6×3×2.6m(L×W×H)，房間的圍護結構采用彩鋼板(內襯7cm厚巖棉板)，傳熱系數約為0.9W/m2℃。房間有一扇帶有密封條的門，門上設有0.35×0.35m的雙層玻璃觀察窗，門上部設有余壓閥。實測過程中，通過調節余壓閥，實現室內所需達到的壓力，換氣次數與模擬值保持一致，示蹤氣體使用CO2。

圖3 人工氣候室示意圖及實際系統的部分細節

應急通風用的圓形送風管固定在墻體中間位置，送風口距離頂棚0.6m，送風口直徑為0.2m，如圖3(b)所示。

人工氣候室內共設置4個可移動的測桿，每個桿的不同高度處分別固定著7個熱球測風儀和CO2濃度儀，見圖4b)和圖4c)。圖4a)和圖4b)給出了測量桿的平面位置和測點的高度。

圖4 測桿的平面布置圖和測點高度分布

3 結果分析

圖5給出了通風氣流達到穩定狀態時4個測桿不同測點位置處速度大小的實測值與數值計算結果的比較，由圖5可以看到，實測值與模擬值吻合較好，表明所采用的數值計算方法可以用于計算室內流場。

圖5 通風穩定時四個測桿不同測點位置速度實測值與模擬值對比

圖6給出了通風15min時4個測桿不同測點位置處示蹤氣體濃度實測值與數值計算結果對比，由圖6可以看到，實測值與模擬值吻合較好。

圖6 t=15min時四個測桿不同測點位置速度模擬值與實驗值對比

圖7分別給出了通風10min時人工氣候室內經過風口的平面，即y=3.7m平面的速度分布和濃度分布的模擬結果。由圖7a可以看到，地板以下空間在地板空調風口附近，氣流略大，表明有部分空氣通過空調送風口這個連通裝置進入地板空間。圖7b表明，實驗室內濃度分布特征為靠近地板處濃度較高，但由于CO2的密度僅略高于空氣，因此，上下空間濃度差并不十分明顯。此外，還可以看到，地板下空間內濃度明顯低于上部空間，這是由于被CO2混合過的空氣進入地板下空間較少。

4 結語

通過試驗與模擬的數據對比，其吻合性較高，可以得出數值模擬結果較為可靠的結論，也可以看出區域內風速分布與濃度分布規律，速度在垂直分布上，貼近地板處速度較低，在區域高度為0.5m左右速度最大；速度在水平分布上，區域下部的速度分布不均勻度大于區域上部；濃度分布在地板下較少，在新風口區域最高，為了更好地混合，可以考慮打開部分地板和在示蹤氣體濃度聚集較高的位置增加擾動設備。

圖7 通風10min時，y=3．7m平面上速度濃度分布情況