大封閉區(qū)域示蹤氣體混合均勻性數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比

高磊，黃海濤，劉祥祥，袁會(huì)勇

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

示蹤氣體技術(shù)是檢測(cè)大封閉區(qū)域泄漏的常用方法，許多泄漏是傳統(tǒng)檢漏方法無(wú)法使用的，例如大型密封容器，氦質(zhì)譜檢漏無(wú)法實(shí)施，而示蹤氣體技術(shù)的適用性更廣泛，其在大氣污染物擴(kuò)散和傳輸研究、建筑物通風(fēng)設(shè)計(jì)、泄漏檢測(cè)等方面應(yīng)用非常廣泛。示蹤氣體技術(shù)有3種方法：濃度衰減法、恒定濃度法、恒定流量法。該技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容是區(qū)域內(nèi)示蹤氣體與空氣混合均勻，在礦井工作面通風(fēng)研究中，如果六氟化硫與空氣混合不均勻，在取樣分析后，六氟化硫濃度隨時(shí)間的變化就不是簡(jiǎn)單的指數(shù)關(guān)系。本文以某大封閉區(qū)域?yàn)槔ㄟ^(guò)試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬的方式來(lái)計(jì)算示蹤氣體與空氣的混合，以此為基礎(chǔ)，初步提出示蹤氣體與待測(cè)區(qū)域內(nèi)空氣快速混合的方式。

1 數(shù)值模擬

1．1 物理模型

圖1為某空間平面分布圖，圖2為計(jì)算用物理模型，x=9.6m和y=8.4m平面分別為送風(fēng)口剖面，z=1.85m和z=0.2m分別為架空地板以上1.5m高度和以下0.15m高度處的平面。

圖1 計(jì)算用物理模型平面圖

1．2 數(shù)序模型

針對(duì)圖1和圖2給出的求解區(qū)域模型，首先需要求解室內(nèi)空氣流場(chǎng)。在模擬過(guò)程中，假定室內(nèi)空氣的流動(dòng)為三維、穩(wěn)態(tài)、連續(xù)不可壓縮湍流流動(dòng)，并且滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律。在動(dòng)量方程中，考慮了示蹤氣體與空氣密度差形成的浮力作用，并將空氣當(dāng)作不可壓縮理想氣體處理。

圖2 計(jì)算用物理模型透視圖

根據(jù)上述限制，所研究問(wèn)題應(yīng)遵守的質(zhì)量和動(dòng)量方程可表述為：

采用RNGk—ε模型來(lái)實(shí)現(xiàn)方程的封閉，該模型在研究低雷諾數(shù)流場(chǎng)時(shí)，被普遍采用。

在解出流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，計(jì)算示蹤氣體濃度分布。示蹤氣體濃度滿足以下質(zhì)量守恒定律：

式中：C為示蹤氣體濃度；K為擴(kuò)散系數(shù)，與流場(chǎng)和示蹤氣體密度有關(guān)；Qε為示蹤氣體注入量。

1．3 數(shù)值處理方法

采用FLUENT中的混合模式求解濃度分布，考慮到不同氣體間密度差別造成的浮力作用，在數(shù)值求解中，通過(guò)設(shè)置

滑移速度 項(xiàng)，來(lái)計(jì)算示蹤氣體相對(duì)于空氣的下沉速度。

對(duì)于區(qū)域內(nèi)控制正壓的余壓控制器和濃度分布時(shí)空變化造成的回風(fēng)濃度與送風(fēng)濃度變化等問(wèn)題，我們引入FLUENT用戶自定義函數(shù)(UDF)來(lái)解決。

1．3．1 用戶自定義程序的編寫

在數(shù)值模擬過(guò)程中，涉及到在FLUENT軟件中沒(méi)有的一些計(jì)算程序，需要進(jìn)行編程，繼而通過(guò)用戶自定義端口導(dǎo)入計(jì)算軟件中。主要包括以下2個(gè)方面。

（1）室內(nèi)正壓或負(fù)壓的分布。FLUENT已有程序中，僅包括送風(fēng)量與排風(fēng)量相等的設(shè)置，而該區(qū)域維持正壓，其排風(fēng)量小于送風(fēng)量。

（2）示蹤氣體排風(fēng)濃度的調(diào)整。在示蹤氣體釋放過(guò)程中，室內(nèi)濃度逐步升高，因此，排風(fēng)口濃度也在從0逐漸升高到穩(wěn)定值的變化過(guò)程中。

1．3．2 計(jì)算邊界條件與簡(jiǎn)化

室外空氣環(huán)境視作近似靜風(fēng)環(huán)境，故環(huán)境風(fēng)速設(shè)為0.1m/s。室內(nèi)部管線和設(shè)備復(fù)雜，邊界上較大的構(gòu)件需畫出對(duì)應(yīng)網(wǎng)格，但對(duì)于尺寸較小的設(shè)備和管線，則可以采用流體力學(xué)中設(shè)置表面粗糙度的方法來(lái)模擬這些構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響。

在FLUENT中，整個(gè)粗糙區(qū)域可分為3個(gè)子區(qū)域，即光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)和完全粗糙區(qū)。過(guò)渡粗糙區(qū)可以作為簡(jiǎn)化管線模擬過(guò)程的臨界值。過(guò)渡區(qū)域粗糙函數(shù)ΔB表示為：

2 人工氣候室的對(duì)比試驗(yàn)

實(shí)測(cè)所用的人工氣候室位于大實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，具體位置見(jiàn)圖3(a)。人工氣候室內(nèi)部尺寸為3.6×3×2.6m(L×W×H)，房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彩鋼板(內(nèi)襯7cm厚巖棉板)，傳熱系數(shù)約為0.9W/m2℃。房間有一扇帶有密封條的門，門上設(shè)有0.35×0.35m的雙層玻璃觀察窗，門上部設(shè)有余壓閥。實(shí)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)余壓閥，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)所需達(dá)到的壓力，換氣次數(shù)與模擬值保持一致，示蹤氣體使用CO2。

圖3 人工氣候室示意圖及實(shí)際系統(tǒng)的部分細(xì)節(jié)

應(yīng)急通風(fēng)用的圓形送風(fēng)管固定在墻體中間位置，送風(fēng)口距離頂棚0.6m，送風(fēng)口直徑為0.2m，如圖3(b)所示。

人工氣候室內(nèi)共設(shè)置4個(gè)可移動(dòng)的測(cè)桿，每個(gè)桿的不同高度處分別固定著7個(gè)熱球測(cè)風(fēng)儀和CO2濃度儀，見(jiàn)圖4b)和圖4c)。圖4a)和圖4b)給出了測(cè)量桿的平面位置和測(cè)點(diǎn)的高度。

圖4 測(cè)桿的平面布置圖和測(cè)點(diǎn)高度分布

3 結(jié)果分析

圖5給出了通風(fēng)氣流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)4個(gè)測(cè)桿不同測(cè)點(diǎn)位置處速度大小的實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較，由圖5可以看到，實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好，表明所采用的數(shù)值計(jì)算方法可以用于計(jì)算室內(nèi)流場(chǎng)。

圖5 通風(fēng)穩(wěn)定時(shí)四個(gè)測(cè)桿不同測(cè)點(diǎn)位置速度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

圖6給出了通風(fēng)15min時(shí)4個(gè)測(cè)桿不同測(cè)點(diǎn)位置處示蹤氣體濃度實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比，由圖6可以看到，實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好。

圖6 t=15min時(shí)四個(gè)測(cè)桿不同測(cè)點(diǎn)位置速度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖7分別給出了通風(fēng)10min時(shí)人工氣候室內(nèi)經(jīng)過(guò)風(fēng)口的平面，即y=3.7m平面的速度分布和濃度分布的模擬結(jié)果。由圖7a可以看到，地板以下空間在地板空調(diào)風(fēng)口附近，氣流略大，表明有部分空氣通過(guò)空調(diào)送風(fēng)口這個(gè)連通裝置進(jìn)入地板空間。圖7b表明，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)濃度分布特征為靠近地板處濃度較高，但由于CO2的密度僅略高于空氣，因此，上下空間濃度差并不十分明顯。此外，還可以看到，地板下空間內(nèi)濃度明顯低于上部空間，這是由于被CO2混合過(guò)的空氣進(jìn)入地板下空間較少。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)與模擬的數(shù)據(jù)對(duì)比，其吻合性較高，可以得出數(shù)值模擬結(jié)果較為可靠的結(jié)論，也可以看出區(qū)域內(nèi)風(fēng)速分布與濃度分布規(guī)律，速度在垂直分布上，貼近地板處速度較低，在區(qū)域高度為0.5m左右速度最大；速度在水平分布上，區(qū)域下部的速度分布不均勻度大于區(qū)域上部；濃度分布在地板下較少，在新風(fēng)口區(qū)域最高，為了更好地混合，可以考慮打開(kāi)部分地板和在示蹤氣體濃度聚集較高的位置增加擾動(dòng)設(shè)備。

圖7 通風(fēng)10min時(shí)，y=3．7m平面上速度濃度分布情況