高壓二氧化碳載送干冰噴射去污流場分析及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

孫志軍，彭真臻，劉金龍，張永領(lǐng)，吳陽

(1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610213；2.四川省核設(shè)施退役及放射性廢物治理工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610213；3.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610065)

0 前言

核設(shè)施去污可以降低人員受照劑量、減少放射性廢物產(chǎn)生，在核設(shè)施運(yùn)行、檢修、退役等核工業(yè)活動(dòng)中不可或缺。核設(shè)施去污往往要求在獲得一定去污因子前提下盡量減少二次廢物[1]。因此，尋找綜合性能優(yōu)越的去污方法是核設(shè)施去污領(lǐng)域的重要研究方向。目前以壓縮空氣為載送介質(zhì)的干冰清洗技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其載送介質(zhì)壓力為0.8～1 MPa，去污時(shí)利用噴槍在開放空間對(duì)物體表面進(jìn)行噴射，以去除物體表面污染，具有去污適應(yīng)性好、二次污染少等特點(diǎn)[2]。但該種干冰清洗方法產(chǎn)生的噴射沖擊力不大，很難清除表面附著力較強(qiáng)的污染，同時(shí)開放空間去污產(chǎn)生的氣溶膠容易污染環(huán)境。因此，本文作者提出利用高壓二氧化碳作為介質(zhì)攜帶干冰顆粒對(duì)封閉空間內(nèi)放射性污染進(jìn)行噴射去污的方法。該方法去污后可經(jīng)過濾和壓縮實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈化與循環(huán)使用。與傳統(tǒng)去污方法相比，高壓二氧化碳去污容易實(shí)現(xiàn)弱固定污染去污，不產(chǎn)生廢水和廢氣，具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢[3]。因此，該去污方法在核設(shè)施運(yùn)行、檢修和退役等環(huán)節(jié)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然采用高壓二氧化碳作為干冰顆粒載送介質(zhì)可大幅提升干冰顆粒噴射動(dòng)能，但基于高壓二氧化碳載送的干冰噴射去污過程十分復(fù)雜。因此，有必要通過去污過程分析，了解去污流場分布，掌握影響去污效果的因素和機(jī)制。由于文中的噴射去污方法主要利用高壓二氧化碳的動(dòng)能，通過高壓二氧化碳載送干冰顆粒，使干冰顆粒高速撞擊待去污表面，在干冰噴射去污過程中，噴嘴結(jié)構(gòu)和噴射工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)去污效果產(chǎn)生直接影響。因此，本文作者通過Fluent數(shù)值模擬進(jìn)行去污流場分析以及噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和去污工藝參數(shù)優(yōu)化，為噴射去污系統(tǒng)參數(shù)確定和去污試驗(yàn)系統(tǒng)研制提供理論依據(jù)。

1 高壓二氧化碳載送的干冰噴射去污系統(tǒng)

噴射去污系統(tǒng)的工作原理是采用高壓二氧化碳將干冰造粒機(jī)輸送的干冰顆粒加速，噴射到密閉去污室中，對(duì)待去污對(duì)象表面進(jìn)行噴射去污，通過過濾裝置處理后，回收部分二氧化碳?；诟邏憾趸驾d送的干冰噴射去污系統(tǒng)如圖1所示，它由液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)罐、二氧化碳增壓泵、緩沖罐、去污室、過濾器、干冰造粒機(jī)、噴射器(噴嘴)、閥門和儀表等組成。其中去污室主要為去污箱體，內(nèi)部放入待去污對(duì)象，利用夾持機(jī)構(gòu)夾持噴嘴進(jìn)行噴射去污，去污裝置的三維示意如圖2所示。去污系統(tǒng)分為兩個(gè)支路：一路將二氧化碳增壓和升溫，通過緩沖容器達(dá)到高壓狀態(tài)，通過閥門控制進(jìn)入噴射裝置中的流量；另一路將儲(chǔ)氣罐中的二氧化碳制作成干冰顆粒，輸送至噴射裝置中。干冰顆粒通過高壓二氧化碳載送進(jìn)入去污箱體中，高速干冰顆粒噴射至待去污表面，對(duì)如圖2所示樣品表面進(jìn)行去污，產(chǎn)生的氣溶膠經(jīng)過處理裝置的過濾、加壓后回收進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，用于下一去污循環(huán)。控制系統(tǒng)用于控制泵的啟停、閥門的開閉或調(diào)節(jié)、溫度與壓力監(jiān)測，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)。

圖1 高壓二氧化碳載送的干冰噴射去污系統(tǒng)

圖2 干冰噴射去污箱體

干冰噴射去污中常見的噴嘴結(jié)構(gòu)類型有直筒型、收縮型、拉瓦爾型、文丘里型，其中文丘里型噴嘴具有壓能轉(zhuǎn)化率高、出口射流較發(fā)散以及加工制造成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，作者采用文丘里型噴嘴作為去污系統(tǒng)的噴嘴。為便于仿真計(jì)算，對(duì)噴嘴前端的干冰顆粒入口段和混合段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，噴嘴的基本結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 文丘里噴嘴基本結(jié)構(gòu)尺寸

2 噴嘴的數(shù)值模擬及結(jié)果分析

噴嘴作為去污噴射系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵零件，對(duì)于提升干冰顆粒動(dòng)能、提高去污效率至關(guān)重要。因此，將利用Fluent平臺(tái)，建立噴嘴去污流場的計(jì)算模型，對(duì)噴嘴流場開展數(shù)值模擬，并對(duì)高壓二氧化碳和干冰顆粒在去污流場的分布情況進(jìn)行仿真分析。

2.1 基本控制方程

利用高壓二氧化碳載送干冰的去污流場存在流體密度、溫度和速度等物理量的連續(xù)變化，因此計(jì)算過程必須遵循計(jì)算流體力學(xué)中的三大基本控制方程：連續(xù)性方程、N-S方程、能量守恒方程[5]。

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；μx、μy、μz分別為流體沿x、y、z軸向的速度分量。

(2)動(dòng)量守恒方程

(2)

式中：?為Hamiltonian算子；τx、τy、τz為作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ各方向的分量；p為作用在流體微團(tuán)上的壓力；Fx、Fy、Fz為流體微團(tuán)的體積力。

(3)能量守恒方程

(3)

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

干冰噴射去污系統(tǒng)工作時(shí)，干冰顆粒與高壓二氧化碳混合后經(jīng)噴嘴加速后噴出，可以將噴射去污過程看作是氣體和固體發(fā)生作用。因此，采用歐拉-拉格朗日方法(DPM模型)模擬干冰顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)噴嘴內(nèi)部氣固兩相流進(jìn)行分析[6]，其中連續(xù)相為氣態(tài)高壓二氧化碳，離散相為干冰顆粒。由于二氧化碳高速流體離開噴嘴出口后會(huì)產(chǎn)生激波，采用二維模型能夠很好地捕捉噴嘴出口的速度波動(dòng)，因此采用二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算[4]。

考慮高壓二氧化碳與干冰的混合過程，將高壓二氧化碳入口和干冰顆粒的入口分開設(shè)置，均設(shè)置為壓力入口?？紤]需要捕捉干冰顆粒到達(dá)待去污樣件表面的速度以及分布直徑，將待去污壁面設(shè)置為逃逸，噴嘴壁面設(shè)置為反射；為便于計(jì)算，在噴嘴出口和待去污壁面之間增設(shè)一個(gè)外流場[7]，并設(shè)置為壓力出口。噴嘴流場邊界條件設(shè)置如圖4所示。

圖4 噴嘴流場邊界條件設(shè)置

采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來劃分流場區(qū)域，噴嘴流場網(wǎng)格數(shù)量27 472，節(jié)點(diǎn)數(shù)量28 156，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 噴嘴網(wǎng)格劃分

2.3 初始條件設(shè)置及計(jì)算結(jié)果分析

利用Fluent計(jì)算噴嘴內(nèi)外部氣固兩相流流場。首先計(jì)算連續(xù)相流場，設(shè)置高壓二氧化碳入口壓力為10 MPa，兩個(gè)干冰顆粒入口壓力設(shè)置為0.2 MPa，出口壓力設(shè)置為常壓，高壓二氧化碳設(shè)置為理想氣體，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。連續(xù)相計(jì)算收斂后，設(shè)置離散相射流源(干冰顆粒)，干冰粒徑設(shè)置為2 mm、質(zhì)量流率為0.016 kg/s，氣固兩相的溫度為300 K，干冰顆粒簡化為球體(密度1 561.5 kg/m3)，將離散相顆粒和連續(xù)相氣體流場進(jìn)行耦合計(jì)算，獲得噴嘴的連續(xù)相和離散相流場分別如圖6、7所示。

圖6 噴嘴氣相流場速度云圖

由圖6和圖7可知：氣態(tài)二氧化碳噴出后在外流場中產(chǎn)生了激波，流體離開噴嘴后流速下降，而干冰顆粒速度逐漸增大，在到達(dá)待去污表面時(shí)速度接近最大值。通過提取仿真數(shù)據(jù)，獲得干冰顆粒到達(dá)待去污樣件表面時(shí)的平均速度為152.3 m/s，干冰噴射到待去污表面的分布直徑為9.8 mm，沖擊應(yīng)力達(dá)到24.1 MPa。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[8]，碳鋼表面氧化層與基材結(jié)合強(qiáng)度約為5 MPa，當(dāng)干冰噴射的沖擊應(yīng)力大于結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，可以去除基礎(chǔ)表面氧化層，同時(shí)去除附著在待去污樣件表面的放射性污染。

圖7 噴嘴離散相流場速度云圖

3 噴嘴的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)優(yōu)化

噴嘴結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)噴嘴流場形態(tài)和干冰動(dòng)能提升有較大的影響[9-10]，為提升噴射去污性能，需要對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和噴射工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。因此，將針對(duì)高壓二氧化碳入口直徑為1.5、3 mm兩種文丘里噴嘴，選擇靶距、喉半徑、噴嘴長度、干冰粒徑、壓力5種關(guān)鍵因素分別開展正交仿真試驗(yàn)，分析主要影響因素和多參數(shù)耦合規(guī)律，并比較兩種入口直徑噴嘴的去污性能和經(jīng)濟(jì)性。

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用五因素四水平的正交試驗(yàn)表，將靶距、喉半徑、噴嘴長度、干冰粒徑、壓力5種因素作為設(shè)計(jì)變量，將干冰顆粒到達(dá)待去污樣件表面的沖擊應(yīng)力與分布直徑的乘積作為綜合指標(biāo)對(duì)去污性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。靶距的取值范圍為20～140 mm，喉半徑為2.5～4 mm，噴嘴長度為100～400 mm，干冰粒徑為2～5 mm，壓力為5～20 MPa。各因素及水平如表1所示，正交試驗(yàn)表如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平

表2 正交試驗(yàn)

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

基于正交試驗(yàn)表中的16組參數(shù)組合，針對(duì)1.5 mm口徑噴嘴分別進(jìn)行建模并開展數(shù)值模擬，提取仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到均值響應(yīng)和主效應(yīng)圖，分別如表4和圖8所示。

表3 1.5 mm口徑噴嘴正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 1.5 mm口徑噴嘴均值響應(yīng)

圖8 1.5 mm口徑噴嘴主效應(yīng)圖

由表4可知：各因素對(duì)1.5 mm口徑噴嘴去污性能綜合指標(biāo)影響程度從大到小依次為壓力、粒徑、靶距、喉半徑、噴嘴長度。由圖8可知：去污能力隨著壓力的增大而增大，隨粒徑的增大而減小，隨靶距的增大先增大后減小。喉半徑為3.5 mm時(shí)去污性能最優(yōu)。去污能力隨噴嘴長度增加逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定，說明在噴嘴長度達(dá)到一定值后，增加噴嘴長度不能有效提升干冰噴射的去污效果。

同理，獲得3 mm口徑噴嘴的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示，均值響應(yīng)和主效應(yīng)圖分別如表6和圖9所示。由表6可知：各因素對(duì)3 mm口徑噴嘴去污性能綜合指標(biāo)影響程度從大到小依次為粒徑、壓力、靶距、噴嘴長度、喉半徑。由圖9可知：去污能力隨粒徑的增大而減小，隨壓力的增大而增大。去污能力隨靶距增大而增大，說明入口直徑增加時(shí)，流量增加，靶距范圍內(nèi)干冰顆粒仍未充分加速。去污能力隨噴嘴長度增大先增大后減小，噴嘴不易過長。

表5 3 mm口徑噴嘴正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 3 mm口徑噴嘴均值響應(yīng)

圖9 3 mm口徑噴嘴主效應(yīng)圖

3.3 噴嘴參數(shù)優(yōu)化及去污效果對(duì)比

對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得：1.5 mm口徑噴嘴的最優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C2D1E4，即靶距為100 mm、喉半徑為3.5 mm、噴嘴長度為200 mm、干冰粒徑為2 mm、壓力為20 MPa；經(jīng)過噴嘴結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)優(yōu)化后，1.5 mm口徑噴嘴的綜合指標(biāo)為0.337，與正交試驗(yàn)結(jié)果中的綜合指標(biāo)最大值0.319相比，增大了5.64%；3 mm口徑噴嘴的最優(yōu)參數(shù)組合為A4B3C2D1E4，即靶距為140 mm、喉半徑為3.5 mm、噴嘴長度為200 mm、干冰粒徑為2 mm、壓力為20 MPa；經(jīng)過噴嘴結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)優(yōu)化后，3 mm口徑噴嘴的綜合指標(biāo)為0.447，與正交試驗(yàn)結(jié)果中的綜合指標(biāo)最大值0.386相比，增大了15.8%。結(jié)果表明兩種入口直徑的噴嘴經(jīng)過優(yōu)化后，能夠到達(dá)更好的去污效果。

由表7可知：經(jīng)過優(yōu)化后，3 mm口徑噴嘴對(duì)干冰顆粒的加速效果更好，且去污性能是1.5 mm口徑噴嘴的1.3倍，但3 mm口徑噴嘴干冰顆粒到達(dá)待去污樣件表面的分布范圍相對(duì)較小。此外，考慮兩種入口直徑噴嘴對(duì)高壓二氧化碳的利用率，引入單位流量綜合指標(biāo)fg(fg=f/g)，得到1.5 mm口徑噴嘴單位流量綜合指標(biāo)是3 mm口徑噴嘴的3倍，即1.5 mm口徑噴嘴二氧化碳流體的利用率約是3 mm口徑噴嘴的3倍，1.5 mm口徑噴嘴具有更好的經(jīng)濟(jì)性。因此，在考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下，優(yōu)選1.5 mm入口直徑的文丘里噴嘴作為高壓二氧化碳載送干冰噴射系統(tǒng)的噴嘴。

表7 優(yōu)化后不同口徑噴嘴去污性能指標(biāo)

4 結(jié)論

基于高壓二氧化碳載送干冰噴射去污方法，采用Fluent軟件建立了兩種口徑的文丘里噴嘴內(nèi)外流場氣固兩相流的有限元模型。通過正交試驗(yàn)分析，獲得了靶距、喉半徑、噴嘴長度、干冰粒徑、壓力5個(gè)因素對(duì)去污性能的影響規(guī)律，對(duì)兩種口徑噴嘴進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、去污性能對(duì)比和經(jīng)濟(jì)性分析，為噴射去污系統(tǒng)參數(shù)確定和去污試驗(yàn)系統(tǒng)研制提供了理論依據(jù)。具體結(jié)論如下：

(1)各因素對(duì)1.5 mm口徑噴嘴去污性能影響程度從大到小依次為壓力、粒徑、靶距、喉半徑、噴嘴長度；各因素對(duì)3 mm口徑噴嘴去污性能影響程度從大到小的排序?yàn)榱?、壓力、靶距、噴嘴長度、喉半徑。

(2)1.5 mm口徑噴嘴的最優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C2D1E4，3 mm口徑噴嘴的最優(yōu)參數(shù)組合為A4B3C2D1E4；經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，1.5 mm口徑噴嘴的去污性能提高了5.64%，3 mm口徑噴嘴的去污性能提高了15.8%。

(3)經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，3 mm口徑噴嘴去污性能是1.5 mm口徑噴嘴的1.3倍；1.5 mm口徑噴嘴的高壓二氧化碳利用率是3 mm口徑噴嘴的3倍，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。