基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的污染壓制裝置數(shù)值模擬

王 亮，范 強(qiáng)，周 瑾

(96879部隊(duì)， 陜西 寶雞 721012)

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的污染壓制裝置數(shù)值模擬

王 亮，范 強(qiáng)，周 瑾

(96879部隊(duì)， 陜西 寶雞 721012)

現(xiàn)有污染壓制裝備存在作業(yè)距離太近，無(wú)法滿足大面積污染壓制的需求；通過(guò)仿真計(jì)算研究工質(zhì)與燃?xì)饬鞯膿交鞕C(jī)理，得到了使用壓制去污劑時(shí)的作業(yè)范圍和效果，探尋了航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于污染壓制裝備的可行性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)； 核事故應(yīng)急；數(shù)值模擬

1 研究背景

在核事故發(fā)生后，空氣中的氣溶膠會(huì)迅速擴(kuò)散到很大的區(qū)域[1]，目前國(guó)內(nèi)配備的壓制去污劑噴灑車(chē)，有效射程只有三十多米[2]，不僅效率較低，而且操作人員需跟隨進(jìn)入污染區(qū)域作業(yè)，處置人員生命安全無(wú)法得到保障。

國(guó)內(nèi)壓制裝備全部由消防裝備改造，主要是利用泵作為動(dòng)力源進(jìn)行壓制去污劑的噴灑作業(yè)。根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況來(lái)看，對(duì)于小面積污染壓制有一定的效果，一旦污染面積增大，就存在作業(yè)效率低下的問(wèn)題。對(duì)于這一問(wèn)題的解決方案現(xiàn)在主要集中在增大泵的功率、增加噴灑高度上，這一方案在一定程度上可以解決問(wèn)題，但成本過(guò)于高昂。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)已大量運(yùn)用于發(fā)煙機(jī)裝置上，其工作原理與目前的壓制去污作業(yè)相近，同時(shí)價(jià)格低廉[3]。如果能用航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴射的高速氣流將壓制去污劑帶到更大范圍的區(qū)域，就能有效改善污染壓制作業(yè)現(xiàn)存的這一難題。

壓制去污劑的物理性質(zhì)與發(fā)煙機(jī)常用的煙霧油有較大差異，密度和粘度等參數(shù)都有明顯增大，航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)改裝，作業(yè)范圍有多大，是否能達(dá)到壓制所需的技術(shù)要求，尚不清楚。本文對(duì)工質(zhì)與燃?xì)饬鞯膿交鞕C(jī)理進(jìn)行仿真計(jì)算，探尋航空發(fā)動(dòng)機(jī)在核事故應(yīng)急處置中運(yùn)用的可行性。

2 工質(zhì)與燃?xì)饬鞯膿交鞕C(jī)理

2.1 基本模型

噴口伸入套筒部分的尺寸為：0.16 m(寬，X方向)×0.51 m(高，Y方向)，套筒尺寸：1.07 m(寬，X方向)×0.6 m(高，Y方向)。噴口從套筒左側(cè)邊緣伸入，兩部分中心軸重合。距套筒左側(cè)邊緣0.265 m處上下各有一工質(zhì)注入口，寬0.003 m，高0.02 m，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作區(qū)域?yàn)樘淄灿疫吘壨鈧?cè)長(zhǎng)200 m，高50 m的區(qū)域，下部為地面，設(shè)置為wall，其他三面自由流動(dòng)，不進(jìn)行設(shè)置。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

采用考慮組分?jǐn)U散的二維非定常N-S方程，采用隱式算法，時(shí)間計(jì)算采用二階隱式方法，黏性采用k-ε兩方程湍流模型，空氣密度ρ=1.225 kg/m3，比熱Cp=1 006.43 J/(kg·K)，熱傳導(dǎo)系數(shù)λ=0.024 2 W/(m·K)，黏性系數(shù)μ=1.789 4×10-5kg/(m·s-1)，工質(zhì)密度ρ=998.2 kg/m3，比熱Cp=4 182 J/(kg·K)，熱傳導(dǎo)系數(shù)λ=0.6 W/(m·K)，粘性系數(shù)μ=1.003×10-3kg/(m·s)。

2.2 濃度計(jì)算

套筒放于地面，軸線平行于地面，噴口噴射速度為2 000 m/s，兩個(gè)工質(zhì)出口工作效率為0.6 kg/s。

圖2為不同時(shí)間空氣的流動(dòng)情況。

為便于分析，以t=60 s為例，導(dǎo)出速度矢量圖，如圖3。

可以看出氣體在工作區(qū)域形成了兩個(gè)渦流，中心分別距套筒右邊界60 m和150 m，高度距地面27 m和34 m。對(duì)其他時(shí)間的空氣速度矢量圖進(jìn)行分析，可以得到空氣在噴出套筒后的流動(dòng)情況：氣體剛從套筒中噴出時(shí)，沿地面向前高速運(yùn)動(dòng)，由于下方為地面，受自身擴(kuò)散影響，形成向上方擴(kuò)散的趨勢(shì)。逐漸形成兩至三個(gè)較大的渦流，渦流隨時(shí)間不斷增強(qiáng)，互相合并形成一到兩個(gè)更大的渦流。在工作區(qū)域內(nèi)，氣體一直處于動(dòng)態(tài)平衡，各點(diǎn)的氣體速度和流向規(guī)律都不一樣，無(wú)法得出有用的結(jié)論。但在整體上，多數(shù)區(qū)域空氣流速差別不大，渦流中心的移動(dòng)在局部會(huì)有一定差異。

圖2 空氣流動(dòng)情況

圖3 t=60 s時(shí)速度矢量圖

圖4給出了不同時(shí)間工質(zhì)的流動(dòng)情況。

工質(zhì)初始速度較小，主要被空氣帶動(dòng)向外噴出，在運(yùn)動(dòng)的初期，速度明顯較空氣速度要小得多，擴(kuò)散也較空氣要慢，隨著時(shí)間逐漸接近空氣流動(dòng)速度，其運(yùn)動(dòng)軌跡也與空氣的一致，沿著空氣形成的渦流擴(kuò)散。在流動(dòng)速度上，與空氣相比，速度要低一個(gè)數(shù)量級(jí)，整體速度變化與空氣相比，有一定時(shí)間的滯后。

在噴灑作業(yè)時(shí)，表現(xiàn)為洗消去污劑從套筒中噴灑出來(lái)，在距噴口60 m、150 m處向上方擴(kuò)散，沿著兩個(gè)空氣渦流散布到整個(gè)工作區(qū)域中。

圖4 工質(zhì)流動(dòng)情況

圖5為工質(zhì)在工作區(qū)域的組分占比情況。

通過(guò)圖5可以看出，工質(zhì)的擴(kuò)散是從套筒出口處開(kāi)始，從近至遠(yuǎn)，沿著空氣形成的渦流逐漸分布到整個(gè)工作區(qū)域，隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，逐步均勻分布，在部分區(qū)域可能占比較大，主要是因?yàn)樽陨頂U(kuò)散所致，對(duì)整體影響不大。在前期，工質(zhì)隨空氣擴(kuò)散，在工作區(qū)域內(nèi)分布不均勻，但一分鐘內(nèi)，工質(zhì)就擴(kuò)散到整個(gè)工作區(qū)域。之后隨時(shí)間增加，工質(zhì)在工作區(qū)域內(nèi)的占比不斷上升。在局部地區(qū)，工質(zhì)可能分布不均勻，部分區(qū)域工質(zhì)較為集中，但這一現(xiàn)象是因?yàn)闇u流的氣體流動(dòng)不均勻引起的，工質(zhì)集中的區(qū)域也不斷變化，并沒(méi)有特定區(qū)域工質(zhì)堆積嚴(yán)重的現(xiàn)象。

圖5 工質(zhì)組分占比

圖6 工質(zhì)占比圖

以上這組圖(如圖6)可以直觀的看出工質(zhì)在不同距離上的組分占比情況，在120 s內(nèi)工質(zhì)所占體積分?jǐn)?shù)在絕大多數(shù)區(qū)域超過(guò)1‰，在180 s內(nèi)工質(zhì)所占體積分?jǐn)?shù)在絕大多數(shù)區(qū)域超過(guò)5‰

3 結(jié)論

工質(zhì)在被空氣帶出噴口之后，隨空氣擴(kuò)散到整個(gè)工作區(qū)域，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與空氣流動(dòng)規(guī)律相近，開(kāi)始隨空氣形成的數(shù)個(gè)小渦流擴(kuò)散，在渦流增強(qiáng)合并后在更大范圍內(nèi)擴(kuò)散，在60 s內(nèi)就可以均勻分布到整個(gè)工作區(qū)域，并隨工質(zhì)時(shí)間增加，在工作區(qū)域內(nèi)的占比逐漸增大。通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)的裝置在進(jìn)行洗消作業(yè)時(shí)能在120 s內(nèi)讓工質(zhì)散布到200 m遠(yuǎn)，50 m高的區(qū)域內(nèi)，工質(zhì)所占體積分?jǐn)?shù)在絕大多數(shù)區(qū)域超過(guò)1‰，在180 s內(nèi)工質(zhì)所占體積分?jǐn)?shù)在絕大多數(shù)區(qū)域超過(guò)5‰，能夠滿足污染壓制相關(guān)要求[4]。

[1] 張建崗，姚仁太.福島核事故對(duì)中國(guó)的影響及應(yīng)急經(jīng)驗(yàn)[J].輻射防護(hù),2012,32(6)：362-372.

[2] 丁立虎.反應(yīng)型壓制去污劑噴灑車(chē)訓(xùn)練教材[M].北京：火箭軍司令部出版社,2016.

[3] 潘寧民.發(fā)煙機(jī)動(dòng)力裝置發(fā)展趨勢(shì)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),1999(3)：59-62.

[4] HJ/T61—2001,輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].2001.

(責(zé)任編輯周江川)

NumericalSimulationofPollutionSuppressionDeviceBasedonAeroengine

WANG Liang, FAN Qiang, ZHOU Jin

(The No.96879thTroop of PLA, Baoji 721012, China)

The existing pollution suppression equipment in China has a problem of short working distance to meet the demand of massive pollution suppression. In order to solve the problem, in this article, the mixing mechanism of working fluid and gas flow is studied by simulation, and the range and effect of using detergent were obtained, and the feasibility of applying aeroengine to pollution suppression equipment is explored.

aeroengine; nuclear accident emergency; numerical simulation

2017-05-11；

2017-07-30

王亮(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事核事故應(yīng)急研究。

裝備理論與裝備技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.018

本文引用格式：王亮，范強(qiáng)，周瑾.基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的污染壓制裝置數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):81-84.

formatWANG Liang, FAN Qiang, ZHOU Jin.Numerical Simulation of Pollution Suppression Device Based on Aeroengine[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):81-84.

TJ417

A

2096-2304(2017)11-0081-04