基于ANSYS軟件某后處理廠動態(tài)密封系統(tǒng)的分析優(yōu)化

王寅　尹俊植

【摘??要】針對某乏燃料后處理廠放射性水平高、污染等級高的需求特點，分析動態(tài)密封系統(tǒng)設(shè)計方案并進行優(yōu)化。在某乏燃料后處理廠已有設(shè)計工況通風(fēng)方案的基礎(chǔ)上，闡釋經(jīng)典流體力學(xué)理論基礎(chǔ);使用業(yè)內(nèi)主流的ANSYS軟件，采用科學(xué)方法論，從三維模型建立，到網(wǎng)格具體劃分，進行20組對照模擬實驗;從空氣跡線，速度變化，分析典型性房間流場變化;以風(fēng)量為邊界條件，對動態(tài)壓差及阻力系數(shù)進行進一步的設(shè)計優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】動態(tài)密封;ANSYS;流體力學(xué);負(fù)壓控制

核能作為一種高效、穩(wěn)定的清潔能源，已經(jīng)是世界能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分。核電，是我國的國家名片，是我國落實“一帶一路”戰(zhàn)略的重要抓手，安全有效的發(fā)展核電，是我國十三五期間能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方針。在核電裝機容量大幅增加的背景下，如何進一步調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低碳排放，節(jié)約資源，控制成本，處理日益增多的核電乏燃料，實現(xiàn)核燃料循環(huán)利用發(fā)展，保障核工業(yè)體系安全穩(wěn)定運行，成為核電領(lǐng)域發(fā)展面臨的新問題，具有重要的意義[1]。某乏燃料后處理廠的建設(shè)，為解決此類需求提供了具體的解決措施和場景。利用后處理對核燃料進行處理，可以大大提高鈾資源利用率，同時降低放射性廢物的處置成本，縮短監(jiān)管時間[2]。

某乏燃料后處理廠根據(jù)房間放射性劑量水平的不同，劃分成紅區(qū)、橙區(qū)、綠區(qū)、白區(qū)，每個分區(qū)之間的壓差，存在壓差梯度。某乏燃料后處理廠的特點是放射性水平高，污染等級高，因此需要通過靜態(tài)密封（建、構(gòu)筑物、管道、過濾器等）和動態(tài)密封（氣流組織、負(fù)壓梯度等）來控制污染物不外泄，控制氣流組織由非污染區(qū)域到污染區(qū)，由低污染區(qū)到高污染區(qū)。這其中的動態(tài)密封更為重要，它可以保障廠房靜態(tài)密封失效時，依然能夠保障各分區(qū)之間的污染等級、緩解污染物外泄的問題[3]。常見的負(fù)壓控制方式大致為文丘里閥控制方式，定風(fēng)量閥控制方式，電動調(diào)節(jié)閥控制方式和變頻風(fēng)機控制方式[4]。

從以往工程的調(diào)試和運行的經(jīng)驗來看，進行通風(fēng)動態(tài)密封系統(tǒng)設(shè)計時，普遍存在不同分區(qū)負(fù)壓調(diào)節(jié)難，控制難的問題，并沒有足夠的實例依據(jù)去探討其中機理邏輯。因此，此篇論文將會以動態(tài)負(fù)壓控制系統(tǒng)為核心，以經(jīng)典流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，用業(yè)內(nèi)主流的模擬軟件Ansys為手段，嘗試以工程實例作為依據(jù)，為之后進一步核通風(fēng)難點的攻克，提供實例支撐。

1?理論基礎(chǔ)

數(shù)值模型涉及到強迫對流、浮力對流等，需求解N-S方程，并采用標(biāo)準(zhǔn)K-e湍流方程進行封閉，研究速度場、溫度場、壓強場的分布情況，分析系統(tǒng)的阻力特性和加熱特性。

1.1?空氣流場控制方程

連續(xù)方程：

（1）

式中：r——密度，kg/m3;

——速度矢量，m/s。

動量方程：

（2）

式中：——應(yīng)力，Pa;

——空氣壓強，Pa;

——重力加速度，m/s2;

——側(cè)體力，例如多孔介質(zhì)或其他源項，N/m3;

其他符號同上。

能量方程：

（3）

式中：——空氣焓，J/kg;

——湍流粘性系數(shù)，Pa×s;

——湍流Prandtl數(shù);

——熱源項，W/m3;

——空氣溫度，K;

——空氣的比熱，J/（kg×K）

（4）

式中：——紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的靜壓，Pa;

——紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的送風(fēng)量，m3/h;

——紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的設(shè)計風(fēng)量，m3/h。

1.2計算方法

采用商業(yè)計算流體軟件FLUENT?進行某乏燃料后處理廠房內(nèi)流場三維數(shù)學(xué)模型的求解。針對某乏燃料后處理廠房內(nèi)在部分工況條件下存在自然對流，動量方程中浮力是不可忽略的作用力，需要考慮浮力效應(yīng)。空氣流動、傳熱需耦合求解。離散方程的求解采用分離變量法，速度與壓力的解耦采用SIMPLEC算法。速度和溫度場的離散格式采用QUICK格式[5]。

2?工況介紹與模擬設(shè)置

2.1?計算工況

共計開展了21組工況，除設(shè)計工況條件（排風(fēng)管流速為6.75m/s）外，還研究排風(fēng)口流速由1m/s逐漸增至20m/s的工況。

表1?計算工況及吹氣儀表廊的負(fù)壓（空氣密度rg=1.225kg/m3）

2.2?網(wǎng)格劃分與模型設(shè)置

GAMBIT軟件是FLUENT公司提供的前處理軟件，它包含功能較強的集合建模能力和強大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。本項目將采用GAMBIT網(wǎng)格劃分軟件建立三維模型。三維模型采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格的具體劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)性網(wǎng)格相結(jié)合的方式。針對關(guān)鍵位置或關(guān)注剖面，采用較密的網(wǎng)格。

紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊屬于橙區(qū)（A），設(shè)計負(fù)壓不高于-150Pa。送風(fēng)管道為方管，排風(fēng)管道為圓管，設(shè)計流量時6000m3/h。網(wǎng)格計算域時量槽管道廊、排風(fēng)管和送風(fēng)管，網(wǎng)格數(shù)量約為214萬。圖1至3給出了計算網(wǎng)格模型、排風(fēng)口和送風(fēng)口位置。

圖1紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊計算網(wǎng)格模型

圖2?送風(fēng)管道和4個送風(fēng)口

圖3?排風(fēng)管道和4個排風(fēng)口

3?結(jié)果分析

3.1?紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊流場分析

圖4給出了紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊空氣跡線。空氣由送風(fēng)方形管流入電纜廊，在室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，然后通過圓形排風(fēng)管道流出。

圖4?紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)空氣跡線圖

圖5給出了設(shè)計工況條件下管道高度斷面靜壓和總壓分布。除進風(fēng)口附近，紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊壓力分布均勻。

（a）靜壓??????????????（b）總壓

圖5?管道中心高度斷面壓力分布（設(shè)計工況，Pa）

圖6給出了管道高度斷面速度分布。空氣以射流的形式，從方形管的4個進風(fēng)口斜向流入吹氣儀表廊后，空氣流速快速降至0.5m/s以下。4個小的側(cè)向進風(fēng)口的流量分配比例是：0.22：0.24：0.26：0.27;4個小的側(cè)向排風(fēng)口流量分配比例是：0.31：0.25：0.22：0.22，這個比例受風(fēng)量變化而變化很小，可近似認(rèn)為不變。

（a）速度大小?????????????（b）速度矢量

圖6?管道中心高度斷面空氣流速分布（設(shè)計工況，m/s）

3.2?紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊壓力分布

圖7給出了紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)靜壓與風(fēng)量的關(guān)系。隨風(fēng)量增大，紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)靜壓逐漸降低，二者呈非線性關(guān)系。在設(shè)計風(fēng)量條件下，紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)的靜壓為-96Pa，小于紅區(qū)負(fù)壓設(shè)計要求-150Pa，不滿足負(fù)壓設(shè)計要求;當(dāng)紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊為設(shè)計流量的1.33倍，紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)靜壓為-169Pa，此時已滿足負(fù)壓設(shè)計要求。因此從負(fù)壓設(shè)計方面考慮，應(yīng)將紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊流量增大至設(shè)計值的1.33倍。式（4）給出了紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)靜壓與流量的關(guān)系計算式，表1給出了不同風(fēng)量條件下紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)的靜壓值，可供設(shè)計時參考。

圖7?紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)靜壓與風(fēng)量的關(guān)系

圖8給出了紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的阻力系數(shù)與風(fēng)量的關(guān)系。隨風(fēng)量增大，阻力系數(shù)逐漸減小，但減小幅度越來越小;紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的總阻力系數(shù)約為6.0～6.6，由進風(fēng)口值紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的阻力系數(shù)為3.3～3.7。

圖8?紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的阻力系數(shù)與風(fēng)量的關(guān)系

4?結(jié)論

基于ANSYS軟件的分析結(jié)果，綜上可知，在設(shè)計風(fēng)量條件下，某核電廠紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊的負(fù)壓為-96Pa，不滿足負(fù)壓控制系統(tǒng)要求;從負(fù)壓設(shè)計方面考慮，可將紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊增大至1.33倍，則滿足有關(guān)設(shè)計要求。在不同風(fēng)量條件下，由進風(fēng)口至室內(nèi)的阻力系數(shù)逐漸趨于不變，約為3.3，其參考斷面是進風(fēng)口斷面。

參考文獻：

[1]孫學(xué)智，羅朝暉.全球乏燃料后處理現(xiàn)狀與分析[J].核安全，2016，26（2）：13-16.

[2]張琦.關(guān)于加快發(fā)展核電站乏燃料后處理的建議[J].中國能源，2018，41（1）：44-47.

[3]張皎丹，張博，馮存強.乏燃料后處理廠通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計方案[J].核科學(xué)與工程，2019，39（1）：120-124.

[4]孫榮亮，張青等.放?射?性?物質(zhì)?實驗?室?區(qū)域?性?負(fù)壓?的?實施?與分?析[J].制冷與空調(diào)，2015，15（10）：48-52.

[5]李振，于慧俐.FLUENT?湍流模型在工程應(yīng)用中的選擇[J].科技創(chuàng)新，2016，13（1）：110-111.

（作者單位：中國核電工程有限公司）