密閉空間中氚泄漏的濃度分布規(guī)律研究

余文力 王 亮

（中國人民解放軍第二炮兵工程大學(xué)一系 陜西 西安 710025）

0 引言

氚廣泛運用在化工、軍事、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域，得到了廣泛的研究[1-2]。因為氚具有滲透性[3-5]，平時貯存在特定的容器內(nèi)。在意外條件的作用下，有可能發(fā)生泄漏，其中的氚氣會擴散到周圍空間之中，產(chǎn)生極大的安全隱患。本文主要針對儲氚容器在突發(fā)情況下發(fā)生泄漏時，研究密閉空間中的氚濃度變化情況。采用數(shù)值仿真軟件Fluent，建立了儲氚容器及密閉貯存空間的仿真模型，仿真計算了空間內(nèi)氚的擴散及濃度分布情況。

1 計算模型

密閉空間的尺寸為：5m（寬，X 方向）×3.5m（高，Y 方向）×12m（長，Z方向），其截面為拱形，拱高為1m。通排風(fēng)系統(tǒng)的進氣口與排氣口位于空間一端相對的位置，其直徑為400mm，中心距地面的高度為2m，距空間一端的距離為1m，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通排風(fēng)系統(tǒng)對密閉空間中空氣的置換率為2次/小時，折合成進氣口的氣流速度為0.83m/s。

圖1 密閉空間結(jié)構(gòu)及監(jiān)測示意圖

為了準確了解氚的流動和擴散時密閉空間內(nèi)氚濃度的變化情況，在空間的6個位置設(shè)置了監(jiān)測點，監(jiān)測整個計算過程中氚的濃度隨時間的變化情況。其中一個監(jiān)測點用來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)測點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監(jiān)測點的位置分布情況，分別用C1、C2、C3、C4、M1、M2 表示，6 個固定監(jiān)測點的坐標如表 1 所示。

表1 各個氚監(jiān)測點的位置分布

為簡單起見，模擬中將容器簡化為一個直徑為400mm、高度為400mm的圓柱，泄漏的氚已經(jīng)均勻分布于容器中。計算中，采用考慮組分擴散的三維非定常N-S方程

采用隱式算法，時間計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=1.225kg/m3，比熱 Cp=1006.43J/kg·K，熱傳導(dǎo)系數(shù) λ=0.0242W/m·K，粘性系數(shù) μ=1.7894×10-5kg/m·s。氚的分子量取為6.0321，其比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、粘性系數(shù)等物理參數(shù)都通過動理論方法、利用Lenard-Jones作用勢得到。

2 氚在密閉空間中意外泄漏時的濃度分布研究

容器位于空間的中心，該位置處，泄漏氚的自由擴散范圍最大，如圖2所示，10s時擴散才受到壁面的影響。泄漏位置與通風(fēng)口距離較遠，氚可以在較長的時間內(nèi)主要依靠擴散在空間中傳播，10s時才受到壁面輕微的影響。

下面說明該條件下氚的擴散、排出情況。圖中給出的截面為過氚泄漏點和進氣口、排氣口的截面，即Z=6、Z=1和X=0三個截面。初始時刻，氚在空間中進行自由擴散，不受空間壁面的影響，此時氚在空間中的分布類似于同心球面，如圖2a、b所示。隨著時間的推移，擴散范圍越來越大，到10s時開始于空間的側(cè)壁相遇，開始受到壁面的影響，等值面的同心球面特點遭到破壞，自由擴散階段結(jié)束，如圖2c所示。隨著氚的繼續(xù)擴散，20s時開始到達空間頂部，如圖2d所示，擴散受到空間頂部的影響。之后，氚在空間側(cè)面和頂部的約束空間內(nèi)向兩端擴散，如圖2e所示。50s時，氚的擴散開始受到通排風(fēng)的影響，氚向這一端擴散的邊界不再保持球面形狀，如圖2f所示，此圖中還可以看到由于側(cè)壁的影響，該處擴散受到阻礙，氚開始積聚。此前氚的運動主要在空間內(nèi)部，以擴散為主，從此以后氚在空間內(nèi)的運動開始受到通排風(fēng)的明顯影響，并且隨著通排風(fēng)排出。100s時，氚的運動邊界越過通排風(fēng)口的連線，擴散到此處的氚隨進入進氣口的空氣、經(jīng)過排氣口排出空間外。由圖2g可以看到，經(jīng)過通排風(fēng)口的Z=1的截面被新鮮空氣吹出一條通道，同時由于通風(fēng)對氚排出的促進作用，這一端氚的濃度開始迅速減小。隨后，空間內(nèi)的氚在通排風(fēng)和擴散的作用下分布逐步均勻、濃度逐漸降低。圖2h給出，由于擴散和空氣的流動作用，中部泄漏點附近氚濃度逐漸降低，通排風(fēng)口截面附近氚濃度逐漸升高；而另一端，則主要是依靠擴散的作用，氚逐漸向空間壁面擴散，濃度逐漸升高，到250s時氚擴散之空間壁面。之后，經(jīng)過空間內(nèi)通排風(fēng)系統(tǒng)的流動和約束空間中擴散長時間的作用，其對空間中氚分布的影響與時間的相關(guān)性逐漸變?nèi)?，氚在空間中的分布趨于近似不變，這一過程在1000s左右基本完成，如圖2i所示。然后，空間中的氚大體按照這一分布，如圖2j所示，濃度逐漸下降，直到達到要求的管理限值[6-7]。

圖2 氚泄漏時隨時間的分布

圖3 各監(jiān)測點的氚濃度

圖3給出了各個監(jiān)測點處氚濃度的變化情況。該情況下，由于C1、C2、C3、C4四個監(jiān)測點關(guān)于容器的位置對稱，得到了基本相似的氚濃度變化規(guī)律。M1監(jiān)測點實際上就是氚泄漏源，因此從初始氚混合物的濃度以近似于指數(shù)的規(guī)律下降；M2監(jiān)測點距離泄漏源很近，氚濃度峰值明顯升高。

圖4給出了空間內(nèi)氚平均濃度的變化情況。空間內(nèi)氚濃度的減少成指數(shù)規(guī)律減少，濃度降低到行動水平的時間為19290s，濃度降低到干預(yù)水平的時間為33120s，降到管理限值的時間為40185s。

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值仿真方法對氚意外泄漏時密閉空間內(nèi)氚的濃度進行了計算，給出了氚的濃度及隨時間的分布規(guī)律，主要得到了以下結(jié)論：

圖4 空間氚平均濃度（正常情況）

（1）在泄露發(fā)生后，氚的濃度基本按指數(shù)規(guī)律衰減；

（2）氚泄漏的初始階段，氚濃度的空間分布隨時間有明顯的變化；

（3）在泄漏初期，氚在空間內(nèi)的分布很不均勻，如果能在泄漏源附近隨時監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)，那么在氚尚未擴散開的短時間內(nèi)，即使沒有防護，也能夠規(guī)劃合適的路線，及時規(guī)避輻射對工作人員的傷害。

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