空間中氦氣與氫氣分布相似性分析

王田林，曹學武

空間中氦氣與氫氣分布相似性分析

王田林，曹學武*

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

安全殼內氫氣積聚和不凝性氣體存在時的蒸汽冷凝是核電廠嚴重事故時所重點關注的現象，通常采用氦氣替代氫氣開展相關實驗研究。針對使用氦氣替代氫氣開展實驗研究的相似性問題，基于氫氣與氦氣等體積流量、等浮力以及等濃度分布相似三種方法使用GASFLOW模擬分析了含圓盤障礙物的封閉空間內氦氣與氫氣的分布特征。采用三種相似方法能夠使得空間中氫氣與氦氣濃度分布相似，基于等體積流量相似方法氦氣與氫氣濃度隨時間的變化同步。

氫氣分布；氦氣；氫氣風險；GASFLOW

輕水堆核電廠嚴重事故條件下，鋯水反應會產生大量的氫氣，氫氣、氧氣等在一定條件下混合可能會發生燃燒或爆炸，威脅安全殼的完整性[1]；在氫能利用方面，氫氣泄漏同樣會引發氫氣風險[2]。因此，必須采取措施應對氫氣風險，而氫氣分布預測則是措施制定中的重要過程。

由于氫氣的可燃性，采用其作為實驗介質研究氫氣分布具有一定的危險性，Swain等人提出了氫氣風險評估方法[3, 4]，即利用氦氣作為“橋梁”評估氫氣風險，該方法分四步：（1）采用氦氣開展實驗研究；（2）使用氦氣實驗數據驗證計算流體力學（CFD）模型；（3）基于氦氣數據驗證后的CFD模型開展氫氣模擬分析；（4）基于氫氣分布模擬結果確定風險。Swain等人基于氦氣與氫氣等體積流量的條件，在長方體結構的裝置中驗證了在平衡階段氫氣與氦氣分布的相似特性，但在初始階段相似性較差。He等人[5]為進一步分析初始和平衡階段氦氣和氫氣分布的相似性，基于理想羽流模型推導了等濃度和等浮力的相似條件。Prabhakar等人[6]則應用He等人所導出的氦氣與氫氣相似條件，通過商業軟件Fluent模擬分析了密閉裝置AIHMS中氦氣和氫氣的分布特征。Prabhakar等人[7]也總結了近年所開展的部分關于氫氣/氦氣噴放的實驗裝置，包括使用氫氣作為注入工質的GARAGE、INERIS Gallery和Russian-2裝置等，使用氦氣作為注入工質的CARAGE- NIST、NERL和GAMELAN裝置等；而針對安全殼內氣體分布研究方面，相關研究則建立了THAI、MISTRA、TOSQAN等裝置[8, 9]，基本均采用了氦氣作為工質研究其在空間中的流動分布特性，因此使用氦氣替代氫氣開展流動分布研究是一種被廣泛采用的方式。其中THAI裝置開展了HM系列實驗討論了氫氣和氦氣之間的相似性，結果表明當兩種輕質氣體在空間中體積分數不高于40%時，兩種氣體可獲得可比的氣體分布、壓力和溫度分布特性[10]，但其氦氣/氫氣注入噴口的位置處于容器中上部區域，未覆蓋噴口位置處于容器下部區域時的情況，同時流動路徑上也并未設置障礙物。

本研究對氦氣與氫氣相似性分析的研究成果進行了總結，使用THAI裝置HM-2實驗以及上海交通大學所開展的氦氣分布實驗驗證了GASFLOW程序對于氫氣/氦氣分布預測的合理性，通過數值模擬討論了障礙物存在時低位輕質氣體注入條件下氦氣與氫氣分布的相似性，為氦氣分布實驗研究相關成果推廣應用于安全殼氫氣分布研究提供參考。

1　相似理論

氫氣與氦氣的密度均小于空氣密度，其釋放到空氣中形成的典型羽流流動如圖1所示，輕質氣體從噴口釋放后受浮力和初始動量共同作用下向上流動，形成錐狀的流動域，其邊界不斷夾帶周圍氣體進入區域內，使得區域邊界自噴口開始逐漸向外移動。

圖1　羽流流動示意圖

進入空間中的輕質氣體浮力流量可表示為：

式中：——重力加速度；

羽流的體積流量定義為：

因此，不同高度處羽流區域輕質氣體的平均體積濃度定義為：

He等人[5]假設流動處于等溫條件下，基于等浮力流量和等濃度分布的方式，推導建立了氦氣與氫氣濃度分布相似的關系式，并吸納了Swain[3]等人基于氦氣與氫氣等體積流量建立兩者之間分布相似的方法，提出了通用形式的相似關系：

當=0表示由體積流量相等得到的相似關系，=0.5表示由等濃度分布得到的相似關系，=1表示由浮力流量相等得到的相似關系。

2　數值模型驗證

2.1　控制方程及輸運模型

GASFLOW程序采用隱式連續歐拉—任意拉格朗日歐拉法（ICE’d ALE）求解三維可壓縮非定常Navier-Stokes方程組。質量、動量和能量守恒方程如下：

式中：——混合物密度；

ρ——由于相變等因素引起的單位體積內氣體質量增加或減少速率；

——壓力；

——粘性應力張量；

m——動量源項；

——混合物比內能；

I——由于燃燒、相變、流體與壁面之間熱交換引起的能量增加或減少速率。

氣體混合物黏度采用Wilke[11]關系式計算：

式中：——物質的相對分子數。

組分向混合氣體中的質量擴散系數計算式為[12]：

2.2　氫氣分布模擬驗證

圖2　壓力變化對比

圖3　氫氣濃度對比

2.3　氦氣分布預測驗證

上海交通大學搭建了氫氣流動分布研究裝置，利用氦氣替代氫氣研究空間中氫氣流動分布，該裝置主要由本體容器、數采系統、供氣系統、加熱保溫系統以及控制系統組成[15]。本體容器為上下兩端帶橢圓頭的柱狀容器，其直徑和高度分別為1.8 m、5.0 m，柱狀部分高4.05 m，橢圓形頭部高度為0.475 m。注氣噴口位于容器中軸線上，距容器底部距離為1.0 m，噴口直徑為0.03 m，實驗中所使用的障礙物為直徑0.86 m的圓形薄板，其所在高度為1.5 m，障礙物相對位置及濃度測點布置如圖4所示，圖中圓點為實驗中濃度測點，三角形為本文對比分析所設置的濃度測點。

圖4　測點分布及障礙物布置

本文為分析空間中障礙物影響下，輕質氣體低位注入時氫氣與氦氣分布的相似關系，首先對實驗工況開展模擬比對，驗證所建立的數值模型，實驗工況如表1所示。由于容器高度的對稱性，在笛卡爾坐標系下建立了二分之一的計算模型如圖5所示，、和方向劃分41、21和99個網格，噴口附近區域的網格局部加密，各方向網格平均尺寸約5 cm。壁面設置為無滑移壁面，采用標準湍流模型和壁面函數。初始時假設裝置內為穩態無氣體流動，注氣噴口入口條件采用質量入口。

基于表1中的實驗工況開展模擬分析，以驗證所建立數值模型對于氦氣分布模擬的適用性。圖6（a）為中心列測點，氦氣注入階段，兩測點氦氣濃度上升速率基本一致，注氣結束后，兩測點相對體積濃度基本保持不變維持在42.5%左右，模擬結果與實驗值吻合較好。圖6（b）為偏心列測點，注氣階段，位于噴口上方的測點氦氣濃度上升速率明顯快于位于噴口下方的P6測點，模擬均能較好反應兩部分測點氦氣濃度的變化過程。因此，驗證了所建立的數值模型能夠較好的模擬裝置內氣體的流動分布，可開展后續氫氣與氦氣分布相似性的討論。

圖5　計算模型

表1　實驗工況條件

3　氦氣與氫氣相似性分析

封閉空間中輕質氣體濃度的分布與所注入氣體的體積量相關，為消除注入氣體體積不同對氣體分布的影響，參考文獻［6］中關于AIHMS裝置中氫氣和氦氣分布相似性討論中所采用的方法——保證相似關系時通過控制注入時間確保注入空間中的體積相同，針對表1中所述工況開展障礙物存在時封閉容器內氦氣與氫氣分布相似性的討論，所設置的氫氣對比工況如表2所示。

表2　氫氣注入工況

基于2.2節中已驗證的數值模型，對表2中三種相似工況開展模擬，其模擬結果與采用氦氣作為噴放工質的模擬結果對比如圖 7 所示，圖中橫坐標使用相對噴放時間（當前時刻與氫氣總注入時間之比）。由圖7可知，總體上三種相似方法均得到了與氦氣工況相似的氣體空間分布特征，局部位置在不同的時間段呈現出較小的差異。圖8中給出了對應于氦氣工況噴放1 000 s（對應于相對噴放時間為0.833）時，氦氣與氫氣在容器截面上的氣體濃度分布，由于障礙物的阻擋作用，在障礙物下方附近區域具有較高的輕質氣體濃度，障礙物上方區域總體濃度分布較為均勻，而氣體濃度梯度區處于噴口下方附近，總體上使用氫氣的三個相似工況均得到了與氦氣工況一致的分布特征，與圖7中所展示的分布特性相互印證。

圖7　不同測點處三種相似方法氫氣體積濃度與氦氣分布對比

圖8　三種相似工況與氦氣工況輕質氣體濃度分布云圖（t=0.833tinj）

圖7中局部的濃度分布差異主要體現在位于障礙物下方的中心測點P3以及位于偏心位置的測點P6。P3測點處三種相似工況與氦氣工況的差異體現在氣體注入階段，在注氣停止時刻，以氦氣工況為基準工況，方法1相似工況、方法2相似工況以及方法3相似工況輕質氣體濃度與基準工況的相對偏差分別為2.8%、1.1%和2.0%，因此三種相似方法模擬結果與氦氣實驗數據雖存在一定差異但差異較小，體現出了使用氦氣替代氫氣開展分布研究具有較好的效果；當氣體注入停止后，由于動量輸運過程的極大削弱，各相似工況均得到與氦氣工況較為一致的結果。P6測點在相對噴放時間大于1.15之后，各相似方法氫氣濃度分布于氦氣工況濃度相對偏差均保持在10%以內，同時由于該位置處輕質氣體濃度絕對值較小，因此該測點處相似方法模擬結果與氦氣工況濃度差絕對值較小，也可認為氫氣與氦氣分布一致。除了測點P3和P6外，對于其他位置處的測點，無論是位于障礙物上方，還是障礙物下方，三種相似工況均與氦氣工況模擬結果基本一致，體現出了使用氦氣替代氫氣開展氫氣分布研究是一種安全且有效的研究方法。

本文的相似性分析對比于Prabhakar等人[6]針對AIHMS裝置所開展的氦氣與氫氣分布相似性分析，其裝置體積約2 m3，內部無障礙物且氣體注入時間較短（約80 s），三種相似方法下氦氣與氫氣濃度分布也基本一致。對比于He等人[5]在通風容器內所開展的氦氣與氫氣分布相似性分析，其注氣噴口位于裝置底部，三種相似方法下氫氣與氦氣分布各測點濃度相對誤差在7.6%以內。因此，對比考慮了裝置差異、注氣時間及注氣位置、障礙物和容器是否通風等因素對氣體分布的影響，結果表明采用氦氣替代氫氣開展氫氣分布研究具有較好的相似性。

4　總結

針對氫氣流動分布研究中使用氦氣替代氫氣的相似性問題，基于數值模擬討論了含障礙物的封閉空間中輕質氣體低位注入時，使用氦氣替代氫氣研究氫氣分布的相似性。本文概述了近年來所開展的氫氣/氦氣流動分布的實驗研究，基于THAI裝置HM-2實驗和上海交通大學所開展的氦氣分布實驗驗證了所建模型對于氫氣以及氦氣分布預測的合理性，根據氦氣與氫氣等體積流量相似、等濃度分布相似和等浮力相似三種方法對比了兩種氣體分布的相似性，總結如下：

（1）輕質氣體低位注入且障礙物存在時，模擬結果中三種相似方法預測結果氫氣分布與氦氣工況中氦氣分布特征整體上基本一致，基于相似方法可將氦氣流動分布實驗成果推廣應用于氫氣分布研究。

（2）三種方法均可應用于氫氣/氦氣分布研究，其中等體積流量相似方法氦氣與氫氣濃度隨時間變化同步。

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Similarity Analysis of the Distribution of Helium and Hydrogen in Space

WANG Tianlin，CAO Xuewu*

（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

During the severe accident in a light water nuclear reactor，hydrogen accumulation and steam condensation in the presence of noncondensable gas are the two key phenomena concerned．Helium is usually used as a hydrogen simulant in related experimental researches．To illustrate the similarity of using helium instead of hydrogen to conduct experiments，three methods of equal volume flow，equal buoyancy，and equal concentration of hydrogen and helium are simulated by GASFLOW code to analyze the similarity of gas distribution in the unventilated space which has a circular disk obstacle inside．The three similar methods can be used to make the distribution of helium and hydrogen concentration in the space similar. Based on the method of equal volume flow similarity, the changes of helium and hydrogen concentration over time are synchronized.

Hydrogen distribution；Helium；Hydrogen risk；GASFLOW

TL364

A

0258-0918（2021）03-0561-08

2020-10-09

國家磁約束核聚變能發展研究專項資助（2019YFE03110002）

王田林（1994—），男，重慶璧山人，博士研究生，現主要從事核能科學與工程方面研究

曹學武，E-mail：caoxuewu@sjtu.edu.cn