核動(dòng)力船舶主控室氣載放射性濃度場(chǎng)分析

譚 冰，唐耀陽(yáng)，吳榮俊，許 滸，郭智榮

(1．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064;2．海軍駐431 廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島125004)

0 引 言

核動(dòng)力船舶裝置一回路發(fā)生事故破損后，放射性物質(zhì)會(huì)泄漏到反應(yīng)堆鄰近的主控室內(nèi)。污染的空氣會(huì)使人員持續(xù)受到內(nèi)照射和外照射傷害，這種傷害對(duì)處在封閉環(huán)境下的人員尤其嚴(yán)重。優(yōu)化設(shè)計(jì)主控室內(nèi)通風(fēng)能夠合理控制氣載放射性物質(zhì)的分布，為工作人員提供良好的工作環(huán)境［1］。

本文利用Airpak 程序，利用2 種不同的通風(fēng)方案，對(duì)主控室內(nèi)的氣載放射性物質(zhì)濃度與分布進(jìn)行了模擬和研究，選出最優(yōu)化的一種方案，將氣載放射性物質(zhì)控制分布在無(wú)人員崗位區(qū)域。

1 模型和邊界條件

1.1 流體數(shù)學(xué)模型

在船舶艙室內(nèi)，氣體擴(kuò)散過(guò)程是湍流，用k －ε 湍流模型進(jìn)行模擬。k － ε 模型包括的控制方程有:

連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程):

動(dòng)量方程:

能量方程:

湍流動(dòng)能方程(K 方程):

湍流能量耗散率方程(ε 方程):

1.2 物理幾何模型

研究對(duì)象為船舶主控室。主控室內(nèi)設(shè)備和管道繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以典型的主控室布置為原型，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行外形簡(jiǎn)化，省去尺度較小設(shè)備和管路，以便對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理。主控室內(nèi)設(shè)備主要有物理室、化學(xué)室和控制臺(tái)屏等。建立的三維模型如圖1 所示。

圖1 主控室?guī)缀文Ｐ虵ig.1 Geometrical model of master control room

1.3 邊界條件設(shè)置

利用Airpak 進(jìn)行網(wǎng)格的劃分工作，因主控室內(nèi)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通風(fēng)口處進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為220 000。

假定核反應(yīng)堆艙室向主控室泄漏率為1% Vr/h。另假定在泄漏過(guò)程中破口當(dāng)量保持不變，泄漏率也同時(shí)保持不變，每個(gè)泄漏口的泄漏量為0.8 m3/h。

2 通風(fēng)設(shè)計(jì)方案

艙室環(huán)境對(duì)船內(nèi)人員的身心健康，工作效率有著非常重要的意義［2］。船舶通風(fēng)設(shè)計(jì)是在保證船舶運(yùn)行安全的條件下，最大限度保障船內(nèi)人員的工作、生活舒適度［3－4］。

通風(fēng)方案1 見(jiàn)圖1，進(jìn)風(fēng)管道在舷右側(cè)，出風(fēng)管道在舷左側(cè)，有1 個(gè)進(jìn)風(fēng)口，2 個(gè)出風(fēng)口，將泄漏點(diǎn)簡(jiǎn)化為5 個(gè)圓形泄漏口，分布在主控室的前壁處。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口面積為0.196 m2，設(shè)置主控室內(nèi)設(shè)備材料為鐵，使用理想流體進(jìn)行模擬，選擇流動(dòng)計(jì)算模型為k －ε 兩方程模型。設(shè)置好重力方向及大小，通風(fēng)口的流場(chǎng)邊界條件如表1 所示。

表1 主控室通風(fēng)方案1Tab.1 Ventilation plan A of master control room

船舶艙室的通風(fēng)效果不僅與通風(fēng)量有關(guān)，而且也和艙室內(nèi)合理的氣流組織有關(guān)，合理的氣流組織可以改善艙室內(nèi)局部的通風(fēng)環(huán)境，降低污染物聚集濃度，提高了艙室的安全性［5］。為獲得更佳的通風(fēng)效果，調(diào)整方案如圖2 所示，進(jìn)風(fēng)管道在舷左側(cè)，出風(fēng)管道主控室后壁處，進(jìn)風(fēng)口為2 個(gè)，出風(fēng)口為1 個(gè)，泄漏點(diǎn)簡(jiǎn)化為5 個(gè)圓形泄漏口，分布在主控室的前壁處。選擇流動(dòng)計(jì)算模型為k － ε 兩方程模型。通風(fēng)口的流場(chǎng)邊界條件如表2 所示。

表2 主控室通風(fēng)方案2Tab.2 Ventilation plan B of master control room

圖2 方案2 中通風(fēng)口位置圖Fig.2 The position of inflow and outflow in plan B

3 模擬計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置好迭代收斂的準(zhǔn)則，精度及迭代步數(shù)。調(diào)用Fluent 進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，截取Z = 0.6 m，Z = 1.3 m，Z = 1.8 m 處的界面，氣載放射性物質(zhì)分布如圖3所示。主控室的物理模型Z 方向?yàn)閺闹骺厥忆伆逑蛏系姆较?，Z = 0 為鋪板處，長(zhǎng)度單位是m。泄漏氣體濃度場(chǎng)中，顏色表示堆艙泄漏出來(lái)的氣載放射性物質(zhì)活度濃度。圖上淺灰區(qū)域的氣載放射性物質(zhì)分布最多，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的放射性也最高，艙里的工作人員應(yīng)該避免處于該區(qū)域。

圖3 方案1 截面濃度場(chǎng)Fig.3 Concentration distribution of plan A

同理，選取Z = 0.6 m，Z = 1.3 m，Z = 1.8 m處的截面，方案2 的計(jì)算出主控室內(nèi)濃度場(chǎng)分布的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 方案2 截面濃度場(chǎng)Fig.4 Concentration distribution of plan B

3.2 濃度場(chǎng)分析

方案1 計(jì)算結(jié)果顯示理想的工作區(qū)域主要集中在控制臺(tái)屏6、控制臺(tái)屏8 與物理室和化學(xué)室中間這一區(qū)域，這一區(qū)域設(shè)置人員的崗位是安全的。濃度最高為控制臺(tái)屏1 ～4 與首部之間這一區(qū)域，靠近艙壁部分最高。濃度較低的是物理化學(xué)室與右舷側(cè)壁之間;控制臺(tái)屏6、控制臺(tái)屏8 與左舷側(cè)之間的區(qū)域。

方案2 計(jì)算結(jié)果顯示氣流場(chǎng)分布具有如下特征:首部的通風(fēng)氣流從左舷吹向右舷，形成一定的氣幕阻擋了堆艙泄漏的氣體向尾部流動(dòng)。

氣載放射性物質(zhì)濃度分布主要特點(diǎn)如下:

1)主要泄漏氣體高濃度區(qū)域有:主控室首部控制臺(tái)屏與首部隔壁之間、主控室頂部靠近首部等區(qū)域以及物理化學(xué)室與右舷艙壁之間的區(qū)域;

2)從泄漏氣體濃度分布上可以更明顯看出絕大部分泄漏出來(lái)的氣體被約束在主控室首部控制臺(tái)屏與首部隔壁之間，首部送風(fēng)區(qū)域形成的氣幕作用明顯;

3)堆艙泄漏的氣體也存在一定的擴(kuò)散，通過(guò)優(yōu)化已將氣載放射性物質(zhì)壓制在物理化學(xué)室后面無(wú)人區(qū)，主要工作區(qū)域的濃度值已經(jīng)明顯降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)Airpak 對(duì)船上氣載放射性物質(zhì)的分布情況進(jìn)行模擬分析，得出在最先通風(fēng)條件下，人員工作處的氣載放射性濃度較大。后通過(guò)優(yōu)化船上通風(fēng)，將氣載放射性物質(zhì)約束在主控室首部控制臺(tái)屏與首部隔壁之間、物理化學(xué)室后面無(wú)人區(qū)。明顯降低了主要工作區(qū)域氣載放射性的濃度值。有效阻止了通風(fēng)氣流從高放射性區(qū)域向低放射性區(qū)域流動(dòng)，降低含有放射性物質(zhì)的空氣擴(kuò)散，保障了艙室工作人員的安全。

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