實驗室操作間通風(fēng)安全性能改進(jìn)CFD數(shù)值模擬研究

摘要：在實驗室進(jìn)行放射性試驗時，存在著由于容器瓶跌落等不可預(yù)見因素導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄露的風(fēng)險。此研究以H2作為輕氣體的代表，以某一特定的實驗室操作間為研究場景，探討放射性輕氣體在實驗室內(nèi)意外趺落情況下，在室內(nèi)空間中的擴散遷移規(guī)律，同時提出針對實驗室操作間通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案，進(jìn)而提升放射性物質(zhì)泄漏事件發(fā)生后外部環(huán)境的安全性。通過對宴驗數(shù)據(jù)的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)通過合理調(diào)整通風(fēng)位置，可以有效地降低放射性物質(zhì)向?qū)嶒炇彝鈹U散的量，從而顯著提高外部環(huán)境的安全性。

關(guān)鍵詞：CFD；實驗室；改進(jìn)

中圖分類號：X837 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

在實驗室環(huán)境中，放射性物質(zhì)的泄露不僅威脅著實驗人員的安全，還可能對周邊環(huán)境造成影響。因此，對放射性物質(zhì)泄露過程的模擬和預(yù)測顯得尤為重要。隨著計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)的快速發(fā)展，在放射性物質(zhì)泄露模擬中的應(yīng)用逐漸凸顯出獨特的優(yōu)勢。CFD模擬技術(shù)能夠精確還原室內(nèi)流體流動狀態(tài)，通過模擬放射性物質(zhì)的擴散、遷移和沉降過程，為室內(nèi)設(shè)計和安全防護(hù)提供重要的理論依據(jù)。相較于傳統(tǒng)的實驗方法，CFD模擬具有成本低、周期短、可重復(fù)性強等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種泄露場景和條件的全面模擬和分析。

國內(nèi)外眾多研究表明，CFD模擬在受限空間內(nèi)物質(zhì)擴散研究中發(fā)揮著重要作用。李煜等利用CFD模擬技術(shù)對輕氣體在受限空間內(nèi)的流動與擴散進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，大門開關(guān)的影響明顯大于通風(fēng)柜開關(guān)的影響。付廣智等采用CFD方法，模擬了工作間內(nèi)鈾放射性氣溶膠在通排風(fēng)條件下的流動特性，結(jié)果表面操作間門置于關(guān)閉狀態(tài)放射性氣溶膠形成的范圍小，污染量低。陳佳辰等開展不同排風(fēng)方式對廠房內(nèi)鈾氣溶膠顆粒釋放和擴散規(guī)律影響研究。GA Ganesh等對室內(nèi)環(huán)境人口氣流方向?qū)κ覂?nèi)環(huán)境質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。

1基本場景描述與參數(shù)設(shè)置

1.1基本場景

此次模擬實驗聚焦于長方體結(jié)構(gòu)實驗室操作間內(nèi)的通風(fēng)性能分析。操作間內(nèi)設(shè)有通風(fēng)口、排風(fēng)口以及通風(fēng)櫥等通風(fēng)設(shè)施，通風(fēng)櫥旁設(shè)有一障礙物。研究的核心目的在于探究不同邊界條件對操作間內(nèi)流場分布及源項氣體擴散過程的具體影響。原實驗室結(jié)構(gòu)及其通風(fēng)口布局如圖1（a）所示，其中藍(lán)色標(biāo)記部分代表進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口。

初步的計算分析顯示，在既定的邊界條件下，源項釋放過程及其結(jié)束后的一段時間內(nèi)，大量源項氣體通過門的下半部分逸散至外部空間，這對實驗室外部環(huán)境的輻射安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為有效應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我們針對性地提出了優(yōu)化進(jìn)風(fēng)口位置的策略，并深入探究了進(jìn)風(fēng)口位置變動對門附近流場、整體流場結(jié)構(gòu)以及濃度場分布的影響，同時計算了通過門向外逸散的源項氣體量的變化。

具體的進(jìn)風(fēng)口位置調(diào)整方案如圖1（b）、圖1（c）及表1所示。在調(diào)整通風(fēng)結(jié)構(gòu)的同時，我們確保其他所有邊界條件參數(shù)與原實驗室保持一致，以保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

通過實施上述改進(jìn)措施，旨在探索更為高效的通風(fēng)設(shè)計方案，以減少源項氣體通過門縫向外逸散的現(xiàn)象，從而在增強實驗室安全性能的同時，降低因潛在事故對實驗室外部環(huán)境造成的輻射安全威脅。這一研究對于提升實驗室的安全管理水平、保障科研工作的順利進(jìn)行具有重要意義。

1.2參數(shù)設(shè)置

此研究采用瞬態(tài)計算，考察實驗室不同邊界條件下，實驗室內(nèi)源項氣體分布及流場規(guī)律。源項氣體在開始模擬后第300 s進(jìn)行釋放，釋放時長60 s，釋放速率8.33E-05 kg／s，源項排放方向垂直向上。

實驗室參數(shù)設(shè)置如下：

（1）房間尺寸5.8 mx5.5 mx3.4m；

（2）門1.4m x2.2m，位于墻壁中部；

（3）頂部排風(fēng)口0.5 m x0.4 m，位于房頂中部，距離門所在墻壁1m，排風(fēng)量725 m3／h；

（4）墻壁上進(jìn)風(fēng)口0.5 m x0.4 m位于墻壁中部，距地高度0.5 m，進(jìn)風(fēng)量687 m3／h；

（5）通風(fēng)柜2.0 mx1.0 m×2.4 m，通風(fēng)面積2 mx0.8 m，排風(fēng)量200 m3／h；

（6）實驗室內(nèi)東側(cè)有一長條形障礙物，尺寸0.5m x4.5 m x0.85 m；

（7）源項釋放位置假定位于房間地面中心，釋放時長與案例設(shè)置邊界條件相關(guān)。

使用的湍流模型：k-ε模型。

以站在門外面向?qū)嶒炇乙暯牵块g門所在墻面左下角為原點，水平向右為x軸正向、水平向前為y軸正向、垂直向上為=軸正向。見圖2所設(shè)截面。

2模擬結(jié)果

2.1流場模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬計算，原方案與改進(jìn)方案中，空間內(nèi)流場特性與進(jìn)風(fēng)口位置存在直接的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)風(fēng)口位置附近的風(fēng)速較大。當(dāng)改進(jìn)案例中的進(jìn)風(fēng)口位置調(diào)整至門的左右兩側(cè)墻壁時，門附近風(fēng)速較大的區(qū)域明顯偏向進(jìn)風(fēng)口所在的一側(cè)。

對進(jìn)風(fēng)口位置進(jìn)行變動后，觀察x=2.9剖面的流場，發(fā)現(xiàn)門的位置主要表現(xiàn)為向內(nèi)進(jìn)風(fēng)，通過門向外排出的風(fēng)速顯著降低。而在y =2.75剖面中，改進(jìn)方案1可以清晰地觀察到進(jìn)風(fēng)口處的進(jìn)風(fēng)現(xiàn)象；對于改進(jìn)方案2，由于進(jìn)風(fēng)口與截面位置偏離了0.5 m，雖然未觀察到進(jìn)風(fēng)口處明顯的進(jìn)風(fēng)流場，但截面流場的方向是從右向左，這顯示了進(jìn)風(fēng)口對整體流場自右向左的驅(qū)動作用。在原實驗室的z=1.5剖面中，主要觀察到的是通過門向內(nèi)進(jìn)風(fēng)的現(xiàn)象；而在改進(jìn)方案1和方案2中，可以觀察到由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)所引發(fā)的水平方向環(huán)流。

通過對改進(jìn)案例1和案例2的y=0.01 m剖面流場圖進(jìn)行分析，可以明顯觀察到門位置x方向的流場變化。結(jié)合x=2.9截面的流場圖如圖3所示，我們發(fā)現(xiàn)改進(jìn)案例中的各個時刻，門位置均未出現(xiàn)明顯的由實驗室內(nèi)部通過門向外排風(fēng)的現(xiàn)象。這一系列的觀察和分析為優(yōu)化實驗室通風(fēng)設(shè)計提供了重要依據(jù)。

2.2濃度場模擬結(jié)果

如圖4所示，源項氣體釋放結(jié)束時刻以及隨后10分鐘和2小時內(nèi)的空間濃度等值面圖。通過對不同設(shè)計方案下空間最大濃度分布位置的對比分析，可以觀察到明顯的差異，但共同點是門的上半部分濃度均相對較低。

在釋放結(jié)束的瞬間，三種通風(fēng)方案的最大濃度值保持一致，均集中于源項釋放點的周圍區(qū)域。由于實驗室內(nèi)部空間流場的復(fù)雜性，三種通風(fēng)方案在輕氣體濃度的分布上呈現(xiàn)出不同的特征。隨著時間的推移，源項氣體在實驗室內(nèi)的擴散和遷移過程逐漸展開。

釋放后10分鐘，觀察到在實驗室門的下端位置，三種通風(fēng)方案中均出現(xiàn)了源項物質(zhì)的分布。這表明在這一時間段內(nèi)，部分氣體已經(jīng)通過門縫等通道向外擴散。

當(dāng)時間推移至釋放后2小時，注意到改進(jìn)方案1和方案2在實驗室空間內(nèi)的最大濃度均超過了原方案。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于在改進(jìn)方案中，進(jìn)風(fēng)口位置的調(diào)整對實驗室內(nèi)流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，進(jìn)而導(dǎo)致了源項氣體濃度的增加。盡管其他邊界條件保持不變，但進(jìn)風(fēng)口位置的微小變動卻對室內(nèi)氣體的擴散和分布產(chǎn)生了顯著的影響。

在具體數(shù)值上，原方案空間內(nèi)的最大濃度維持在1E-18量級，而改進(jìn)方案的空間內(nèi)最大濃度則達(dá)到了1E-16至1E-17量級，較原方案高出1至2個數(shù)量級。經(jīng)發(fā)現(xiàn)提示，在優(yōu)化實驗室通風(fēng)系統(tǒng)時，需要更加謹(jǐn)慎地考慮進(jìn)風(fēng)口位置的選擇，以避免因通風(fēng)結(jié)構(gòu)調(diào)整而帶來的潛在安全風(fēng)險。

為了定量分析通過門向外環(huán)境排出源項氣體情況，此研究提取了門位置網(wǎng)格的流場數(shù)據(jù)。特別地，當(dāng)y方向的速度矢量為負(fù)值時，即氣體流向為朝向門外方向，判定該網(wǎng)格位置的氣體是通過門向外排出的。在此基礎(chǔ)上，計算了每個特定時刻通過門向外排出的源項氣體量。

為了進(jìn)一步量化這一排風(fēng)過程，統(tǒng)計了各時刻下，三種不同通風(fēng)條件通過門向外排出源項氣體的時間積分。這一步驟有助于深入理解通風(fēng)條件對源項氣體擴散行為的影響。

當(dāng)進(jìn)風(fēng)口位置發(fā)生變化后，觀察到改進(jìn)方案1和方案2通過門向外排出的輕氣體量與原方案相比有了顯著的減少。具體來說，改進(jìn)后的方案減少了約2.08E-03至2.40E-03 kg的源項氣體排出量。這一減少量約占改進(jìn)前通過門向外排出總量的37.63％至43.50％。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過優(yōu)化進(jìn)風(fēng)口位置，可以有效地減少源項氣體通過門縫的逸散，從而增強實驗室外環(huán)境輻射安全。這一結(jié)果對于實驗室通風(fēng)設(shè)計的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。（見圖5）

3結(jié)論

在原通風(fēng)方案條件下，實驗室開門狀態(tài)，輕氣體存在通過門縫持續(xù)向外排出源項氣體的現(xiàn)象。表明在原有的通風(fēng)設(shè)計下，開門狀態(tài)部分氣體通過門泄漏至外部環(huán)境，這種情況對實驗室的外部環(huán)境安全構(gòu)成了潛在的威脅。在原通風(fēng)設(shè)計的基礎(chǔ)上對進(jìn)風(fēng)口的位置進(jìn)行了調(diào)整后，重新模擬了變更邊界條件后的實驗室流場和濃度場。這一調(diào)整旨在通過優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)，減少源項氣體通過門的泄漏量。通過對比分析兩種改進(jìn)方案的模擬結(jié)果與原通風(fēng)設(shè)計方案，改進(jìn)后，門位置附近通過門吹向?qū)嶒炇彝獾娘L(fēng)速明顯降低。這表明進(jìn)風(fēng)口位置的調(diào)整有效地改善了門附近的流場分布，減少了氣體通過門的泄漏風(fēng)險。同時，也發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后源項氣體通過門向外排出的量與改進(jìn)前相比減少了37％以上。這一顯著的減少量進(jìn)一步證實了進(jìn)風(fēng)口位置調(diào)整對改善實驗室通風(fēng)效果的有效性。