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

王寅　尹俊植

【摘??要】針對(duì)某乏燃料后處理廠放射性水平高、污染等級(jí)高的需求特點(diǎn)，分析動(dòng)態(tài)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行優(yōu)化。在某乏燃料后處理廠已有設(shè)計(jì)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(jìn)行20組對(duì)照模擬實(shí)驗(yàn);從空氣跡線，速度變化，分析典型性房間流場(chǎng)變化;以風(fēng)量為邊界條件，對(duì)動(dòng)態(tài)壓差及阻力系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)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(shí)“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(jī)容量大幅增加的背景下，如何進(jìn)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(shí)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(yùn)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(chǎng)景。利用后處理對(duì)核燃料進(jìn)行處理，可以大大提高鈾資源利用率，同時(shí)降低放射性廢物的處置成本，縮短監(jiān)管時(shí)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(gè)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(diǎn)是放射性水平高，污染等級(jí)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(dòng)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(dòng)態(tài)密封更為重要，它可以保障廠房靜態(tài)密封失效時(shí)，依然能夠保障各分區(qū)之間的污染等級(jí)、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(dòng)調(diào)節(jié)閥控制方式和變頻風(fēng)機(jī)控制方式[4]。

從以往工程的調(diào)試和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來看，進(jìn)行通風(fēng)動(dòng)態(tài)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)例依據(jù)去探討其中機(jī)理邏輯。因此，此篇論文將會(huì)以動(dòng)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(shí)例作為依據(jù)，為之后進(jìn)一步核通風(fēng)難點(diǎn)的攻克，提供實(shí)例支撐。

1?理論基礎(chǔ)

數(shù)值模型涉及到強(qiáng)迫對(duì)流、浮力對(duì)流等，需求解N-S方程，并采用標(biāo)準(zhǔn)K-e湍流方程進(jìn)行封閉，研究速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓強(qiáng)場(chǎng)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(chǎng)控制方程

連續(xù)方程：

（1）

式中：r——密度，kg/m3;

——速度矢量，m/s。

動(dòng)量方程：

（2）

式中：——應(yīng)力，Pa;

——空氣壓強(qiáng)，Pa;

——重力加速度，m/s2;

——側(cè)體力，例如多孔介質(zhì)或其他源項(xiàng)，N/m3;

其他符號(hào)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(xiàng)，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(jì)風(fēng)量，m3/h。

1.2計(jì)算方法

采用商業(yè)計(jì)算流體軟件FLUENT?進(jìn)行某乏燃料后處理廠房?jī)?nèi)流場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型的求解。針對(duì)某乏燃料后處理廠房?jī)?nèi)在部分工況條件下存在自然對(duì)流，動(dòng)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(dòng)、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(chǎng)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(jì)算工況

共計(jì)開展了21組工況，除設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)的集合建模能力和強(qiáng)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(xiàng)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(duì)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(jì)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(jì)流量時(shí)6000m3/h。網(wǎng)格計(jì)算域時(shí)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(jì)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(jì)算網(wǎng)格模型

圖2?送風(fēng)管道和4個(gè)送風(fēng)口

圖3?排風(fēng)管道和4個(gè)排風(fēng)口

3?結(jié)果分析

3.1?紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊流場(chǎng)分析

圖4給出了紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊空氣跡線?？諝庥伤惋L(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(jì)工況條件下管道高度斷面靜壓和總壓分布。除進(jìn)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(jì)工況，Pa）

圖6給出了管道高度斷面速度分布?？諝庖陨淞鞯男问?，從方形管的4個(gè)進(jìn)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(gè)小的側(cè)向進(jìn)風(fēng)口的流量分配比例是：0.22：0.24：0.26：0.27;4個(gè)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(gè)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(jì)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(jì)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(jì)要求-150Pa，不滿足負(fù)壓設(shè)計(jì)要求;當(dāng)紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊為設(shè)計(jì)流量的1.33倍，紅區(qū)排風(fēng)過濾器廊內(nèi)靜壓為-169Pa，此時(shí)已滿足負(fù)壓設(shè)計(jì)要求。因此從負(fù)壓設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)時(shí)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)要求。在不同風(fēng)量條件下，由進(jìn)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(jìn)風(fēng)口斷面。

參考文獻(xiàn)：

[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.

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

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[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）