通排風(fēng)情況對(duì)密閉空間中氚濃度的影響研究

余文力，王 亮，高云亮，王 濤，陳榮樺

（第二炮兵工程大學(xué) 一系，陜西 西安 710025）

氚與氘發(fā)生熱核反應(yīng)能放出巨大能量，這一過(guò)程不會(huì)造成環(huán)境污染，因此得到了廣泛的研究[1-3]。由于氚具有滲透性[4-6]，所以氚貯存在特定的容器內(nèi)。在意外條件的作用下，氚可能發(fā)生泄漏，其中的氚氣會(huì)擴(kuò)散到密閉空間之中，產(chǎn)生極大的安全隱患。文中主要針對(duì)儲(chǔ)氚容器在突發(fā)情況下發(fā)生氚意外泄漏時(shí)，研究通排風(fēng)對(duì)密閉空間中氚濃度的影響。采用數(shù)值仿真軟件Fluent，建立了儲(chǔ)氚容器及密閉貯存空間的仿真模型，計(jì)算了空間內(nèi)氚的擴(kuò)散及濃度分布情況，并分析了通排風(fēng)口位置和速率對(duì)氚濃度分布的影響。

1 計(jì)算模型

密閉空間的尺寸為：5m（寬，X 方向）×3.5m（高，Y 方向）×12m（長(zhǎng)，Z方向），其截面為拱形，拱高為1 m。通排風(fēng)系統(tǒng)有一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)排氣口，其直徑為400 mm，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了準(zhǔn)確了解氚流動(dòng)、擴(kuò)散時(shí)密閉空間內(nèi)氚濃度的變化情況，在空間的7個(gè)位置設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)整個(gè)計(jì)算過(guò)程中氚的濃度隨時(shí)間的變化情況。其中一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用來(lái)監(jiān)測(cè)容器處氚隨時(shí)間的變化情況，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨容器的位置而變化；一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用來(lái)代表工作人員位于密閉空間中心位置處氚吸入的情況；其余的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為地面上不同位置氚濃度的變化情況。圖1給出了一種情況下個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布情況，分別用 R1、C1、C2、C3、C4、M1、M2 表示， 其中 6 個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)如表1所示。

圖1 密閉空間結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)示意圖Fig.1 Structure and monitoring diagram of confined space

表1 各個(gè)氚監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布Tab.1 Distribution of monitoring point

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，模擬中將容器簡(jiǎn)化為一個(gè)邊長(zhǎng)為400 mm的正方體，泄漏的氚已經(jīng)均勻分布于容器中。計(jì)算中，采用考慮組分?jǐn)U散的三維非定常N-S方程：

采用隱式算法，時(shí)間計(jì)算采用二階隱式方法，粘性采用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，粘性系數(shù) μ=1.789 4×10-5kg/m·s。 氚的分子量取為 6.032 1，其比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、粘性系數(shù)等物理參數(shù)都通過(guò)動(dòng)理論方法、利用Lenard-Jones作用勢(shì)得到。

2 氚在密閉空間中意外泄漏時(shí)的濃度分布研究

2.1 模型1

模型一中通排風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)氣口與排氣口位于空間一端相對(duì)的位置，其直徑為400 mm，中心距地面的高度為2 m，距空間一端的距離為1 m。通排風(fēng)系統(tǒng)對(duì)密閉空間中空氣的置換率為2次/小時(shí)，折合成進(jìn)氣口的氣流速度為0.83 m/s。

圖2給出了密閉空間中氚的平均濃度隨時(shí)間的變化，可以看到氚的濃度隨時(shí)間的增加基本成指數(shù)規(guī)律減少。時(shí)間為18 440 s時(shí)，洞庫(kù)內(nèi)氚的平均濃度降為1.1×1010Bq/m3，達(dá)到行動(dòng)水平；時(shí)間為32 320 s時(shí)，洞庫(kù)內(nèi)氚的平均濃度降為1.1×108Bq/m3，達(dá)到干預(yù)水平；時(shí)間為 39 595 s時(shí)，洞庫(kù)內(nèi)氚的平均濃度降為1.1×107Bq/m3，達(dá)到管理限值[7]。由圖中曲線可知，初始50 s左右的時(shí)間內(nèi)，氚的濃度下降較快，這是因?yàn)槿萜魑挥谂棚L(fēng)口下，初始擴(kuò)散時(shí)排風(fēng)口附近氚的濃度較高，隨風(fēng)排出的氚也較多，引起初始階段氚的濃度下降較快，之后氚的濃度近似按指數(shù)規(guī)律變化。

圖2 密閉空間中氚的平均濃度Fig.2 Tritium average concentration in confined space

圖3給出了氚濃度的不同管理水平時(shí)，氚在地面與1.7 m高度處（對(duì)應(yīng)工作人員呼吸高度）的分布情況。從圖中看出，對(duì)于行動(dòng)水平、干預(yù)水平及管理限值條件下，地面上氚的分布具有相似性，靠近通排風(fēng)系統(tǒng)的一端具有較低的氚濃度，而且進(jìn)風(fēng)口附近的氚濃度最低。距地面1.7 m處水平面上氚濃度的分布在3種條件下，也具有相似性，以進(jìn)、排氣口連接的通道為界，一直到遠(yuǎn)離通排風(fēng)系統(tǒng)一端壁面都具有較高的氚濃度，其濃度高于相應(yīng)情況地面的濃度，而且也是進(jìn)氣口處的氚濃度較低。

圖3 對(duì)應(yīng)不同管理水平時(shí)，氚在地面與1.7 m高度處的分布Fig.3 Distribution of tritium in different level of management

2.2 模型2

模型2與模型1相比，通排風(fēng)口位置不變，進(jìn)口氣體速度變?yōu)?.66 m/s。通過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果與模型1相近，只是由于進(jìn)氣速率的增加、流動(dòng)的加快使得數(shù)值上有些差別。

圖4給出了模型2與模型1氚平均濃度的比較。由圖中看出，空間中氚濃度的變化也成指數(shù)規(guī)律，其氚濃度下降到行動(dòng)水平、干預(yù)水平和管理限值的時(shí)間為9 302 s、16 225 s、19 800 s，其數(shù)值約為模型一所用時(shí)間的一半。由此可以認(rèn)為，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的通排風(fēng)，進(jìn)氣速率是影響空間中氚濃度的主要因素，加大進(jìn)氣速率可以有效提高空間中氚的外排速度。

圖4 模型1與模型2氚平均濃度的比較Fig.4 Comparison of tritium average concentration between model 1 and Model 2

2.3 模型3和模型4

為研究通排風(fēng)口位置對(duì)氚濃度分布的影響，將模型一作以下改變。模型3進(jìn)氣口位置不變，出氣口位置沿Z軸正方形移動(dòng)10 m。模型四出氣口位置不變，進(jìn)氣口位置沿Y軸反方向移動(dòng)1.5 m。

圖5～7給出了泄漏發(fā)生后10小時(shí)改變前后氚平均濃度的比較。由圖中看出，與模型一相比，兩種改變都可以有效降低泄漏后空間內(nèi)氚的平均濃度。當(dāng)進(jìn)氣口和出氣口處于同一Z截面時(shí)，該截面附近氚濃度明顯低于其它地方，當(dāng)進(jìn)氣口和出氣口相距較遠(yuǎn)時(shí)，氚平均濃度分布較為均勻。讓進(jìn)氣口和出氣口位于不同水平面可以更有效降低氚平均濃度。

圖5 模型1 Fig.5 Model 1

3 結(jié) 論

圖6 模型3 Fig.6 Model 3

本文采用數(shù)值仿真方法求解采用考慮組分?jǐn)U散的三維非定常N-S方程[8]對(duì)氚意外泄漏時(shí)密閉空間內(nèi)氚的濃度進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了通排風(fēng)情況對(duì)氚濃度分布的影響，給出了各種情況下的氚濃度及分布規(guī)律，主要得到了以下結(jié)論：

1）在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，氚的濃度基本按指數(shù)規(guī)律衰減；

2）進(jìn)氣速率是影響空間中氚濃度的主要因素，加大進(jìn)氣速率可以有效提高空間中氚的外排速度；

3）通排風(fēng)口的位置對(duì)氚平均濃度有較大影響，拉遠(yuǎn)進(jìn)出氣口位置可以讓氚平均濃度分布更均勻，讓進(jìn)氣口和出氣口位于不同水平面可以有效降低氚平均濃度。

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