鈉火事故下工藝間氣溶膠分布影響分析

常一狄+杜海鷗

摘 要：鈉工藝間發生火災之后針對房間的清洗需要了解火災發生過程中鈉氣溶膠在室內的沉積情況，對管道設備的防護也需要了解室內鈉氣溶膠的沉降。通過建立火災房間三維模型，劃分網格，選擇湍流模型通過FLUENT程序對火災房間在不同通風工況下氣體流動特性進行數值計算，對比無熱源情況下影響室內氣溶膠沉積的因素，為下一步分析室內鈉氣溶膠沉積狀況提供指導。

關鍵詞：鈉氣溶膠 通風工況 氣流特性 沉降 FLUENT

中圖分類號：TL36 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0103-03

CEFR使用液態鈉作為冷卻劑，在一回路冷阱間發生管道破裂出現泄漏產生鈉火，金屬鈉在燃燒過程中產生大量鈉氣溶膠，其成分主要包括鈉的氧化物、鈉的氫氧化物以及碳酸鹽，鈉氣溶膠成分復雜，對人體極其有害，并且具有強腐蝕性，對工藝間管道以及設備會造成損害[1]。因此針對事故房間內鈉氣溶膠沉積情況進行分析。

鈉火事故中房間產生大量鈉氣溶膠，在通風情況下，由于房間換氣量達到10次/h[2]，影響鈉氣溶膠空間分布以及沉積的因素包括有熱泳力、湍流曳力、布朗擴散、重力沉降、慣性沉降等[3]。通風工況下房間內流場比較復雜，根據鈉氣溶膠成分分析，其質量密度遠遠大于空氣密度，而它空間分布的體積分數較低。針對火災產生鈉氣溶膠在氣體流場中的流動沉降數值分析中，需要知道氣體流場的流動特征、溫度場特點，并對影響鈉氣溶膠顆粒的空間分布以及顆粒沉降的因素進行進一步分析。

1 流場模型

1.1 氣體相流動方程

室內設備復雜，存在正常通風以及事故排煙通風2種通風工況，通過之前很多實驗研究分析，在此類通風工況下，房間內的流場分析采用RNGκ-ε模型與實驗的擬合度比較高。

1.2 顆粒相受力分析

顆粒受力微分平衡方程（顆粒慣性=作用在顆粒上各種力）為：

式中，右邊第一項為單位質量顆粒所受到的阻力，相對雷諾數，，第二項為重力項。其中u為流體速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；gx為外力對顆粒加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑；Fa為作用在顆粒上的其他附加力；Fx為在某些情況下其他的一些重要作用力。一般來說，這些力包含有熱泳力、質量力、由壓力梯度產生的作用力、Basset力、布朗力等。其中熱泳指的是懸浮在具有溫度梯度的氣體流場中的顆粒，受到了與溫度梯度相反的作用力。在該次計算過程中，室內溫度場變化較大，故需考慮。其表達式為：

其中，DT，p為熱泳系數。

當假定鈉火燃燒生成氣溶膠按照一定的速率從熱源面釋放出來，通過顆粒受力方程觀察得到，溫度、顆粒的粒徑以及流場流速對其運動影響較大。而在該次分析過程中，由于燃燒放熱、溫度梯度較大，以及顆粒物粒徑變化，所以在此分析溫度場流場以及粒徑對顆粒物沉降的影響。

1.3 房間模型建立

事故房間的示意圖如圖1所示。

網格劃分運用ICEM程序進行劃分，采用四面體網格劃分，獲取非結構體網格。由于在風量進出口存在速度梯度較大、發熱面處的溫度場梯度問題，需要提高計算精度，對這些區域的網格進行加密。

正常通風進口處設置為速度入口，根據工程設置房間換氣量要求得到入口速度為2.7 m/s，空氣為20 ℃，正常通風出口為質量出口，事故排煙口為壓力出口，發熱面釋放熱量為20 kW/m2，邊界為無滑移邊界，墻壁溫度初始值均為20 ℃。由于房間內燃燒過程放出大量的熱，流體溫度變化較大，其物性參數設置為逐段線性。

2 模擬結果以及分析

2.1 流場分析

仿真計算最后得到房間內在正常通排風以及事故排風下室內的流場分布圖，如圖2、圖3所示。

圖2、圖3給出了在右下進風左上排風模式下的室內正常通風以及發生火災事故下中心切面上的氣體流場分析，在正常通排風流場中（圖2），在右下側的進風口處速度較大，上部的排風口附近流場也與實際較一致，其流場特征比較明顯。同時，房間內流場穩定，只有在冷阱設備與墻壁的接近處，呈現出湍流現象。由此分析在此區域內，小顆粒的鈉氣溶膠粒子可能不能像大顆粒一樣通過重力沉降而沉積在該區域。在事故排煙流場（圖3）中，底部存在一個燃燒熱源，由于鈉燃燒熱量比較大，明顯看出房間中央流場呈現出熱對流流動，即為主要受到熱泳力的影響。通風僅僅對靠近通風墻壁處流場有擾動。在經典實驗[3]通過流場模擬氣溶膠顆粒的沉降中得到當氣溶膠顆粒粒徑小于5 μm時，受到氣流擾動以及溫度場作用較大，而當顆粒粒徑大于5 μm時，主要受到重力沉降而沉積下去。該結論與上述流場分析而得到的結論相一致。

2.2 溫度場分析

在不同的通風模式下當房間發生鈉火事故，室內溫度場的分布如圖4所示。

在通過正常通風系統右下進氣，左上排氣情況下，其中心縱切面x=2.5 m處溫度場如左圖，高度1 m平面處溫度場如右圖所示。左圖中溫度場隨著高度出現分層現象，由于房間尺寸較大、熱源處溫度較大，中心浮升力起到較大作用，熱氣流上升、冷氣流下降，并出現繞x方向的環流，故此房間內溫度出現左圖所示中間溫度略低，而上部溫度高于中間的分布。而在右圖中，由于入口風速影響，明顯出現進氣口附近氣流溫度較低，溫度場呈現從右向左的增大。

在事故排風左下側進風，左上排風情況下，溫度場如圖5所示。

在圖5中發現溫度場受到通排風口位置的影響出現了明顯的變化，與正常通風下的溫度場變化區別較明顯，室內空間橫切面上溫度場分布明顯受到浮升對流影響，只有在水平分布上受到進氣流影響較大。

綜上分析得到，在鈉火燃燒過程中，工藝間的溫度梯度較大，其熱泳力對于鈉氣溶膠顆粒的影響較大，不可忽略，同時針對房間內的通風模式會對流場的分布有影響，造成房間內流場會出現局部湍流，并對不同粒徑鈉氣溶膠沉積位置產生較大影響。

鈉氣溶膠其性質跟普通氣溶膠不同，成分復雜，SUMMARY OF HEDL SODIUM FIRE TERTS中給出了鈉火事故中鈉氣溶膠成分分析[4]，根據其結論，計算得到鈉氣溶膠等價密度為2 600 kg/m3。其粒徑分布函數經試驗測定為服從對數型正態分布[5]，分布函數為：

其中：r為氣溶膠粒子的半徑；rg（t）為氣溶膠粒子數量中值半徑；為氣溶膠粒子尺寸標準偏差。由于鈉氣溶膠顆粒性質多變，且在生成過程中發生凝集作用，小顆粒份額減少，因此在計算實驗過程中僅考慮部分特征粒徑的顆粒進行追蹤分析。在文獻3的實驗結論中，無熱源情況下，針對鈉氣溶膠顆粒物粒徑選取0.5 μm、1.5 μm、2.5 μm、5.0 μm這4種粒徑的顆粒物進行追蹤。結論是沉降份額隨著粒徑變大，沉積更快，份額更多。當有熱源存在時，特別是這種火災發熱量大的狀況下，溫度梯度對小顆粒物影響更大。此實驗數據與上文中通過流場分析得到的結論較為一致。

3 結論

通過上述分析，得到影響鈉氣溶膠在火災通風房間內的沉降因素結論如下。

（1）在各種送風工況下，由于金屬鈉的燃燒，房間內出現較好的溫度梯度，熱泳力對鈉氣溶膠顆粒的影響較大，不可忽略。

（2）由于通風模式的不同，影響室內氣流的流動，室內氣流同時受到浮升力以及強迫對流的影響。對于鈉氣溶膠顆粒而言，其在房間角落會受到湍流影響，只有大顆粒會出現部分沉降，小顆粒受到熱泳力以及流場作用力會長時間漂浮在空中。

（3）粒徑大于5 μm的鈉氣溶膠顆粒受到重力沉降作用更加明顯，更容易在復雜流場中沉降下去。小粒徑的顆粒物受到熱泳力作用不可以忽略，在流場阻力以及其他作用力下行為更復雜。因此針對鈉氣溶膠復雜的物化特性需要對其進一步研究，為之后鈉火事故中鈉氣溶膠在室內沉降分布實驗提供參考。

參考文獻

[1] Susumu KITANI，Hiroshi MATSUI，Seiichiro UNO.Behavior of Sodium Oxide Aerosol in a Closed Chamber[J].Journal of Nuclear Science and Technology，1973，10（9）：566-573.

[2] 中國原子能科學研究院快堆設計研究所.中國實驗快堆最終安全分析報告[Z].內部資料，2008.

[3] Lu W，Howarth A T，Adam N，et al.Modeling and measurement of airflow and aerosol particle distribution in a ventilated two-zone chamber[J].Building and Environment，1996，31（5）：417-423.

[4] J.D. McCormack，R.K. Hilliard，A.K. Postma.SUMMARY OF HEDL SODIUM FIRE TERTS AND COMPARISON WITH COMPUTER CODES [R].American Nuclear Society International Meeting Fast Reactor Safety Technology，1979.

[5] 孫大杰，張東輝，任麗霞，等.鈉氣溶膠粒子在事故通風管道中的沉降研究[J].核動力工程，2014（6）：172-175.