核電站主控室氣流組織數(shù)值模擬與舒適性分析

鄧少慧

中核工程咨詢有限公司 北京 100044

1 主控室空調系統(tǒng)介紹

K2項目主控室空調系統(tǒng)在正常工況下采用新風加回風的混合方式運行。系統(tǒng)設置2x100%（一用一備）并聯(lián)的空調處理機組，當運行機組故障時，備用機組自動啟動。空調機組包括預過濾器、高效過濾器、電加熱器、冷卻器、加濕器、離心風機等元件。當室內冷負荷變化時，主控室空調系統(tǒng)采用定風量、變冷凍水流量的控制方式。因為要求主控室一直是處于微正壓，因此變風量控制模式不適合本系統(tǒng)。機組中的冷卻盤管、電加熱器、電加濕器的運行受溫濕度傳感器控制。可通過回風的溫、濕度來調節(jié)送風的溫、濕度，從而達到調節(jié)的作用而不用改變送風量。

2 Airpak簡介

Fluentairpak是CFD技術的一個系統(tǒng)分析軟件，它基于有限容積法，具有自動化的非結構化、結構化網(wǎng)格生成能力。它可以準確的模擬通風系統(tǒng)的空氣流動、空氣品質、傳熱、污染和舒適度等問題，可以計算出不同空調系統(tǒng)送風氣流組織形式下室內的溫度場、濕度場、速度場空氣齡場、污染物濃度場、PMV場、PPD場等，以對房間的氣流組織、熱舒適性和室內空氣品質（IAQ）進行全面綜合評價。從而可以減少設計成本，降低設計風險，縮短設計周期[1]。

3 物理模型

3.1 邊界條件

側送側回的幾何模型是根據(jù)設計文件0712XNINTC01KKX83181900CNPE03DD通風系統(tǒng)布置圖（A版，DES，雙語版）而建立。上送側回的幾何模型是參照C2項目設計文件電氣廠房暖通竣工圖PC2-08-042-01中送回風口的形式和布置而建立。即將C2項目主控室的上送風方案平移至K2項目的主控室中，目的是在同等的條件下來對兩種氣流組織方式進行分析。

主控室設計風量為7500/h，分為12個送風口送風，則每個送風口的送風量為625/h，取送風溫度為20℃，設定送風速度為2m/s．房間微正壓值取10Pa[2]。根據(jù)設計，回風口為10個。

根據(jù)公式Q=3600·A·s，其中Q為風量，單位/h；A為送風口橫截面積，單位m2；s為送風風速，單位m/s。可得每個送風口面積為A=625/（3600x2）=0．09m2。側送風選用雙層百葉送風口，上送風選用方形散流器送風口（同C2項目）。按每小時換氣次數(shù)為4次計算，則每小時回風量為Q=4·V=4x23．7x15．3x5=7252，其中V為主控室空間體積，單位。設回風速度為1．3m/s，則可根據(jù)公式Q=3600·A·s，其中Q為回風量，單位/h；A為回風口橫截面積，單位m2；s為回風風速，單位m/s。計算出每個回風口面積A=7252/（10x3600x1．3）=0．15m2。

3.2 數(shù)學模型

空調送風口的送風過程，是具有一定動量、能量和初始速度的送風射流通過風口或散流器進入室內，通過巻吸室內空氣并與之發(fā)生摻混，從而實現(xiàn)動量交換和能量交換的過程。當出口雷諾數(shù)Re大于30時，射流可以認為是紊流射流的。因此，本文的兩種送風方式造成的空氣流動都是屬于湍流流動。流體流動要遵守質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。控制方程為：

連續(xù)性方程：

能量守恒方程：

式中：cp是比熱容；T是溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分，有時簡稱ST為粘性耗散項。

上述各守恒定律的控制方程都可以表示成以下的通用形式[3]：

其中標準k-ε模型具有較高的計算精度，在穩(wěn)定性和經濟性上的優(yōu)勢也使得該模型具有較廣的應用范圍。其公式包括湍流動能方程k和擴散方程ε：

其中，Cu為常數(shù)。

模型中常數(shù)的取值為：Cε1=1．44，Cε2=1．92，Cu=0．09。

可以采用離散的數(shù)值解法對上述方程求解。Airpak采用有限體積法的區(qū)域離散化方法，將非線性偏微分方程轉變?yōu)榫W(wǎng)格單元上的線性代數(shù)方程，然后通過求解線性方程組，得出流場的解[4]。

有限體積法是對一般形式的控制微分方程在控制體積內積分，也就是求解積分形式的守恒方程：

本文假定室內空氣為低速不可壓縮流體；室內空氣流動為準穩(wěn)態(tài)、紊流流動；流體的紊流粘性具有各向同性；忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。

4 模擬結果與分析

因為Y=1．2m處高度是操縱員坐姿工作時的高度，而Z=7．5m處是主控室操縱區(qū)的中間部位，且為最大的縱切面處位置。所以分別選取（X=0，Y=1，Z=0）方向，Y=1．2m處橫切面和（X=0，Y=0，Z=1）方向，Z=7．5m處縱切面來研究。

分析高度1．2米處，即人體坐姿工作高度處的水平面上的速度分布圖。可以看出側送側回的風速分布很均勻，且在主控室大部分區(qū)域均在理想風速值0．25m/s左右，達到了設計文件在主操作區(qū)域的氣流速度不超過0．25m/s的要求。而上送側回的風速分布不均勻，在12個送風口正下方區(qū)域風速都較大，且到達人體頭部的最大風速達到了0．45m/s。雖然可以滿足設計規(guī)范人體可接受風速0．6m/s，但會有一定的吹風感，不符合設計文件在主操作區(qū)域氣流速度不超過0．25m/s的要求。

從主操作區(qū)（X=0，Y=0，Z=1）方向，Z=7．5m處豎直切面的速度分布圖，可以很明顯的看出側送側回的送風方式在主操作區(qū)的流速很均勻。這是因為人體處于回流區(qū)，所以流速會很小且均勻，人體會感覺很舒適。而上送側回的送風方式，氣體流速在豎直方向變化很大，主操作區(qū)風速很不均勻，人體處于氣流直流區(qū)，吹風感會很明顯。

從上送風的速度分布可以看出，沿風口方向是氣體流速變化最大的方向，選取沿吹風方向的切面可以看到送風氣流的走向，由此可以找到送風最不利區(qū)域。因此對于側送風也應選取一個沿側送風方向的風口處切面圖進行分析，找出側送風的最不利區(qū)域。選取房間中部風口（X=1，Y=0，Z=0）方向，X=11．85m風口處切面。

選取X=11．85m的風口處切面，可以看出送風沿風口方向射向大空間，會產生兩個渦流區(qū)，這是冷風沉降和工作區(qū)熱風上揚的結果。主工作區(qū)大部分處于回流區(qū)。渦流區(qū)氣流流速較大且冷風下沉明顯，因此渦流區(qū)應為側送側回送風方式的最不利區(qū)域。最后將給出側送側回送風方式的最不利分析。

5 溫度場比較

上送側回的送風方式要比側送側回的送風方式整個空間的溫度分布更均勻。因為上送的送風口平均分布于整個屋頂，而側送的送風口只在屋頂?shù)囊粋冗吳绎L口偏左布置，因此使得在主控室的西北角溫度較低。由此可以看出，送風口的位置分布對送風溫度的分布有很大影響。盡管如此，因為主操作區(qū)處于回流區(qū)，因此主操作區(qū)的溫度分布還是很均勻的。

6 結語

在本文的送風條件下，對側送側回送風的最不利區(qū)域進行了分析，結果表明氣流參數(shù)也可以滿足設計要求。因此K-2項目主控室采用側送側回的送風方式是可行的，這也驗證了K-2項目主控室空調系統(tǒng)送風方案初步設計的合理性。而上送側回的送風方式由于到達人體的流速超出了設計值，因此是不可行的。因為主控室總送風量一定，若改變設計條件，增加送風口數(shù)量，減小送風速度，則上送側回的送風方式也是可行的。