水蒸氣注入流量對壓力容器內氣體分布影響的數值研究

馮 雨 梁洋洋

（中國核電工程有限公司，中國 北京 100840）

0 引言

安全殼是防止裂變產物向環境泄漏的最后一道屏障，在核電站發生嚴重事故后，燃料包殼中的鋯合金與高溫高壓的冷卻劑反應， 下封頭失效后的堆芯融熔物與安全殼底板混凝土相互作用（MCCI）等會產生大量氫氣[1-2]。 當氫氣在安全殼內不斷積聚并達到一定濃度時，存在燃燒或燃爆的風險，對安全殼的完整性造成嚴重威脅[3]。因此，需要研發一套以殼內抽氣取樣，殼外測量的方式對嚴重事故后安全殼內氫氣濃度進行實時監測的系統，為噴淋系統的啟動時機提供參考。

為驗證該系統的可用性和測量結果的準確性，需要設計能夠提供嚴重事故后安全殼內氣體氛圍的測試裝置，本文通過Fluent 建立了模型，對測試裝置在運行過程中的不同的水蒸氣產生流量對壓力容器內氣體分布影響進行了數值研究，并對計算結果進行了定性分析，該計算結果可以為測試裝置的取樣探頭布置位置提供參考，也可以作為該系統未來實驗測試研究的數據基礎。

1 測試裝置及組成

測試裝置由壓力容器、標氣注入系統、抽真空系統、相關測量儀表及閥門組成，如圖1 所示。壓力容器是測試裝置的核心設備， 壓力容器的材質為不銹鋼，外部包著厚度為100 mm， 材質為硅酸鋁的保溫棉[4]。實驗測試研究步驟：第一步，通過抽真空系統對壓力容器內氣體進行抽真空；第二步，通過標氣注入系統向壓力容器內注入不同氫氣濃度的氫氣-氮氣標氣；第三步， 加熱壓力容器底部去離子水產生水蒸氣；第四步，打開取樣閥門，氣體由取樣探頭取出，通過取樣管線進入氫氣測量系統進行氫氣濃度測量，測量完成后的氣體被送回壓力容器內，完成閉式循環測量。 氣體在壓力容器內流動過程中涉及的熱量傳遞機制主要為熱對流。不同水蒸氣的產生流量可能會對壓力容器內氣體分布產生影響。

圖1 測試裝置示意圖

2 數值研究模型及參數輸入

2.1 物理模型

由于測試裝置中壓力容器的三維模型為軸對稱結構，為了提高計算速度，本文將壓力容器簡化為二維模型如圖2 所示。 壓力容器的材質為304 不銹鋼，其底部長度為1 m，直段部分高度為0.775 m，上封頭為半橢圓，其短半軸和長半軸長度分別為0.275 m 和0.5 m，寬度為1 m，其面積為0.991 m2。 壓力容器底部為水蒸氣注入口，其長度為1 m。 通過向壓力容器內注入不同流量的水蒸氣，以模擬壓力容器底部不同水蒸氣的產生流量。

圖2 壓力容器二維物理模型

2.2 計算模型

氣體在壓力容器內流動和換熱過程中， 滿足質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，方程如下[5]：

對于微元體以溫度T 為變量的能量守恒方程為：

式中，ρ 為密度，kg/m3；Cp為定壓比容，J/（kg·K）；λ 為導熱系數，W/（m·K）；αV為體積膨脹系數，K-1、μ、ν、w 分別為X、Y、Z 方向上的速度，m/s；ST為黏性耗散項。

2.3 數值模擬方案制定與實施

本文通過數值模擬的方法研究了不同水蒸氣的注入流量對壓力容器內氣體分布的影響。 通過Fluent建立了模型，采用四邊形網格，網格數量約為40 000個，網格質量大于0.74[6]。

入口采用質量流量入口邊界，注入的水蒸氣溫度為恒定的373.15 K，流量分別為0.1 kg/s、1 kg/s、5 kg/s和10 kg/s，注入總量均為2.5 kg，入口以外的其余壁面均為絕熱壁面。

壓力容器內初始氣體為氫氣和氮氣的混合氣，初始壓力為101 325 Pa、初始溫度為373.15 K，氫氣濃度為20%，將氫氣、氮氣和水蒸氣設置為可壓縮的實際氣體。

以上數值模擬方案和工況如表1 所示。

表1 數值模擬方案和工況表

3 計算結果與分析

本文將對壓力容器內氣體狀態達到穩定后的計算結果進行定性分析。

3.1 計算數據圖

圖3、圖4 和圖5 分別為不同工況壓力容器內中心軸線不同高度的氫氣濃度、氮氣濃度和水蒸氣濃度。 從圖3、圖4 和圖5 分別可以看出，工況0.1W-20H、1W-20H、5W-20H、10-20H 在高度為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m 和1 m 的位置，氫氣濃度分別為4.57%、4.59%、4.59%和4.59%， 氮氣濃度分別為18.31%、18.40%、18.40%和18.40%， 水蒸氣濃度分別為77.12%、77.01%、77.01%和77.01%。不同工況下壓力容器內中心軸線不同高度的氫氣濃度、氮氣濃度和水蒸氣濃度均相同，氫氣、氮氣和水蒸氣分布均勻，水蒸氣注入流量對壓力容器內中心軸線的氫氣、氮氣和水蒸氣分布均無影響。

圖3 不同工況壓力容器內中心軸線不同高度的氫氣濃度

圖6、 圖7、 圖8 和圖9 分別為工況0.1W-20H、1W-20H、5W-20H、10-20H 壓力容器內高度為0.6m不同軸距的氣體濃度。 從圖6、圖7、圖8 和圖9 分別可以看出，在高度為0.6m 的位置，工況0.1W-20H 的氫氣濃度、 氮氣濃度和水蒸氣濃度分別為4.57%、18.31%、77.12%，工況1W-20H 的氫氣濃度、氮氣濃度和水蒸氣濃度分別為4.59%、18.39%、77.00%，工況5W-20H 的氫氣濃度、氮氣濃度和水蒸氣濃度分別為4.59%、18.39%、77.01%，工況10W-20H 的氫氣濃度、氮氣濃度和水蒸氣濃度分別為4.59%、18.4%、77.01%。

圖4 不同工況壓力容器內中心軸線不同高度的氮氣濃度

圖5 不同工況壓力容器內中心軸線不同高度的水蒸氣濃度

工況0.1W-20H、1W-20H、5W-20H、10-20H 壓力容器內高度為0.6 m 不同軸距的氫氣、氮氣和水蒸氣分布均勻， 水蒸氣注入流量對壓力容器內高度為0.6 m 不同軸距的氫氣、氮氣和水蒸氣分布無影響，可以認為水蒸氣注入流量對壓力容器內同一高度不同軸距的氫氣、氮氣和水蒸氣分布均無影響。

3.2 計算云圖

結合3.1 的結論，本文選擇工況5W-20H 壓力容器內氫氣、氮氣和水蒸氣分布云圖進行展示和說明。圖10、圖11 和圖12 分別為工況5W-20H 壓力容器內氫氣、氮氣和水蒸氣分布云圖。 從圖10、圖11 和圖12 可以看出，工況5W-20H 壓力容器內氫氣、氮氣和水蒸氣各自的最高濃度與最低濃度大致相同，三種氣體都分布均勻，水蒸氣注入流量對壓力容器內氣體分布無影響。

圖6 工況0.1W-20H 壓力容器內高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖7 工況1W-20H 壓力容器內高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖8 工況5W-20H 壓力容器內高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖9 工況10W-20H 壓力容器內高度為0.6m 不同軸距的氣體濃度

圖10 工況5W-20H 壓力容器內氫氣分布云圖

4 結論與展望

4.1 結論

本文通過數值模擬的方法對水蒸氣注入流量對壓力容器內氣體分布影響進行了研究，定性結論如下（結果還需要通過實驗測試進行驗證）：

（1）以不同流量向壓力容器內注入水蒸氣，達到穩定后，壓力容器內中心軸線不同高度的氫氣濃度、氮氣濃度和水蒸氣濃度相同，水蒸氣流量對壓力容器內中心軸線不同高度的氫氣、氮氣和水蒸氣分布無影響；

（2）以不同流量向壓力容器內注入水蒸氣，達到穩定后，壓力容器內不同高度水平面上的氫氣濃度、氮氣濃度和水蒸氣濃度相同，水蒸氣注入流量對壓力容器內同一高度不同軸距的氫氣、氮氣和水蒸氣分布無影響；

（3）綜合以上兩條定性結論，水蒸氣注入流量對壓力容器內氣體分布無影響，對測試裝置的取樣探頭布置位置無具體要求。

4.2 展望

未來實驗測試選取的壓力容器內氫氣濃度范圍為0～20%，由于壓力容器內氫氣濃度越高，氣體分布越可能出現不均勻的現象，因此本文通過數值模擬的方法重點研究了以不同流量向壓力容器內氫氣濃度為20%的氣體注入水蒸氣。 基于本文的數值研究結果，未來仍需要進一步通過數值模擬的方法對以相同流量向壓力容器內不同氫氣濃度（如5%、10%和15%）的氣體注入水蒸氣進行研究，研究水蒸氣注入流量對壓力容器內氣體分布的影響。

圖11 工況5W-20H 壓力容器內氮氣分布云圖

圖12 工況5W-20H 壓力容器內水蒸氣分布云圖