安全殼模型裝置內(nèi)氫氣分布特性及影響因素分析

胡效明，佟立麗，曹學(xué)武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

安全殼模型裝置內(nèi)氫氣分布特性及影響因素分析

胡效明，佟立麗，曹學(xué)武

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

采用計(jì)算流體力學(xué)方法，首先利用THAI HM-2實(shí)驗(yàn)對CFX分析模型的適用性進(jìn)行驗(yàn)證，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對，表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗(yàn)證選用的模型適合對安全殼模擬裝置氫氣分布特性的分析。之后，建立待研究中等規(guī)模安全殼模型實(shí)驗(yàn)裝置的三維幾何模型和網(wǎng)格模型，采用基準(zhǔn)工況+單因素對比的方式，分別模擬湍流浮力射流中心噴射和近壁面噴射工況以及考慮蒸汽壁面冷凝情況下安全殼模型內(nèi)的氦氣(氫氣替代工質(zhì))流動擴(kuò)散分布，討論噴射位置因素、壁面蒸汽凝結(jié)效應(yīng)對氦氣分布的影響。分析結(jié)果表明，噴射位置對氦氣分布的影響主要體現(xiàn)在壁面引流現(xiàn)象上，即氦氣流更傾向于沿著安全殼壁面進(jìn)行流動和擴(kuò)散；而與安全殼壁面的換熱和蒸汽的冷凝會進(jìn)一步促進(jìn)大空間自然對流的建立，從而較為顯著地提高氦氣在安全殼內(nèi)的擴(kuò)散和混合效果。

安全殼；氫氣；擴(kuò)散；CFD

輕水堆發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故時(shí)，鋯合金包殼與水蒸氣發(fā)生鋯水反應(yīng)，產(chǎn)生大量的燃爆氣體(氫氣)并釋放到安全殼內(nèi)，給安全殼的完整性帶來極大的挑戰(zhàn)。福島核事故的教訓(xùn)表明，氫氣在安全殼內(nèi)的遷移和集聚，在局部區(qū)域會達(dá)到甚至超過爆炸極限，在外界條件的誘導(dǎo)下，可能發(fā)生燃燒或爆炸，進(jìn)而造成安全殼的失效和放射性物質(zhì)的釋放。因此，通過實(shí)驗(yàn)和程序模擬的手段，發(fā)現(xiàn)氫氣在安全殼內(nèi)分布和擴(kuò)散的規(guī)律，從而使用氫氣緩解措施對氫氣濃度進(jìn)行控制，對保證嚴(yán)重事故下安全殼的完整性具有重要意義。

從20世紀(jì)70年代末美國三哩島核事故開始，核安全研究人員就對嚴(yán)重事故下的氫氣安全風(fēng)險(xiǎn)給予了足夠的關(guān)注。世界各國的科研機(jī)構(gòu)通過建立安全殼模型，研究安全殼內(nèi)氫氣行為。實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)模既包括上萬立方米的原型安全殼HDR[1]，也有上千立方米的多隔間復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全殼模型如NUPEC[2]，還包括中等規(guī)模安全殼模型，例如瑞士PSI開發(fā)的PANDA[3]實(shí)驗(yàn)裝置、法國CEA的MISTRA[3]實(shí)驗(yàn)裝置、德國GRS開發(fā)的THAI[4]實(shí)驗(yàn)裝置等，為開發(fā)程序模型提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

除了實(shí)驗(yàn)手段以外，世界各國還開發(fā)了大量的安全殼熱工水力程序，并借助上述實(shí)驗(yàn)裝置得到的數(shù)據(jù)對程序模型進(jìn)行開發(fā)和驗(yàn)證。程序可分為三類，分別是一體化程序、專用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)程序和通用計(jì)算流體力學(xué)程序。三類程序均得到了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明其在安全殼氫氣分布的預(yù)測上各有優(yōu)勢。

針對通用CFD程序在安全殼氫氣分布模擬的適用性研究，國際上不同的科研機(jī)構(gòu)做了很多工作。荷蘭核能研究與咨詢組(NRG)的Visser[5]等人使用FLUENT6.3程序?qū)HAI HM-2實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，研究了不同網(wǎng)格模型和湍流模型對氫氣分布的影響，結(jié)果表明該程序適用于安全殼氫氣分層實(shí)驗(yàn)的模擬。但程序預(yù)測值相較實(shí)驗(yàn)值也存在一定的偏差，兩者的偏差主要是由于自定義凝結(jié)模型不夠精確造成的。能源聯(lián)合研究中心的Heitsch[6]等人使用CFX4.4程序?qū)Φ聡喔糸g安全殼模型BMC裝置射流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬，研究了不同射流動量工況下程序預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的符合程度。結(jié)果表明，在高速射流工況下，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，需要進(jìn)一步研究湍流動量對CFX模擬的影響，改善程序模型。

本文在借鑒前人工作的基礎(chǔ)上，針對即將開展的非能動大型先進(jìn)壓水堆安全殼模型裝置氫氣分布實(shí)驗(yàn)，結(jié)合非能動先進(jìn)壓水堆嚴(yán)重事故的典型特征，使用CFX15.0程序?qū)?shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行預(yù)分析?；趯?shí)驗(yàn)安全的考慮，該實(shí)驗(yàn)裝置采用的工質(zhì)為氦氣，分析表明氦氣的分布規(guī)律同樣適合于氫氣[4]。通過研究氦氣在安全殼內(nèi)的分布規(guī)律，進(jìn)一步討論射流位置和水蒸氣壁面凝結(jié)效應(yīng)對氦氣分布的影響，從而為下一步實(shí)驗(yàn)的開展提供理論支持。

1 程序模型

CFX作為成熟的CFD程序，能夠很好地計(jì)算氫氣的分布[7]，可以對安全殼內(nèi)蒸汽和不凝結(jié)氣體三維傳輸和混合進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，針對核電廠嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)壁面凝結(jié)現(xiàn)象，程序也開發(fā)出了相應(yīng)的壁面凝結(jié)模型，以擴(kuò)展其模擬安全殼熱工水力行為的能力。

1.1 數(shù)值方程

采用有限體積方法，將流體域劃分為若干控制體單元，在每個(gè)控制單元內(nèi)使用離散化方法求解瞬態(tài)納維-斯托克斯方程，即質(zhì)量、動量和能量守恒方程，得到各參數(shù)在空間內(nèi)的分布。三個(gè)守恒方程的表示方法見式(1)～式(3)所列。

(1)

(2)

(3)

式中：τij——雷諾應(yīng)力張量。

htot——流體總焓；

1.2 湍流模型

對于非穩(wěn)態(tài)、非定常氣體流動，通過分析湍流渦的特點(diǎn)，找到其在某一時(shí)間周期內(nèi)的平均分布規(guī)律，開發(fā)了雷諾平均N-S模型(RANS)，對湍流效應(yīng)進(jìn)行簡化處理。主流的RANS模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、k-ω模型以及SST模型等，并增加了壁面方程對層流邊界層進(jìn)行處理。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，k-ε模型能夠更好平衡計(jì)算耗時(shí)和計(jì)算速度[7]，在安全殼氫氣模擬計(jì)算上能夠得到更合理的結(jié)果，因此本文采用k-ε湍流模型。

2 數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證物理模型在中等規(guī)模安全殼模型氫氣分布實(shí)驗(yàn)計(jì)算的適用性，本文選擇基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)THAI HM2為研究對象，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值進(jìn)行對比，分析所設(shè)置模型的適用性。

2.1.1 THAI HM2實(shí)驗(yàn)

THAI實(shí)驗(yàn)裝置由德國Becker科技公司與AREVA及德國GRS合作完成的，是一個(gè)具有工業(yè)規(guī)模的多隔間安全殼模型，裝置主體是一個(gè)60m3的不銹鋼容器，高度為9.2m，直徑3.2m，如圖1所示[4]。HM2實(shí)驗(yàn)作為THAI的一個(gè)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，目的是研究氫氣的擴(kuò)散機(jī)理及穩(wěn)定氣態(tài)分層的形成，為程序的改進(jìn)和模型的驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)。初始階段安全殼內(nèi)充滿98%的氮?dú)狻?%的氧氣和1%的蒸汽，初始壓力1.008bar，初始溫度21℃。實(shí)驗(yàn)開始后，45℃下氫氣和蒸汽的混合氣體以0.526g/s的流量從標(biāo)高+4.8m偏心噴射，在安全殼上部逐漸建立穩(wěn)定的氫氣分層。

圖1 THAI實(shí)驗(yàn)裝置幾何參數(shù)Fig.1 Geometric parameters of THAI facility

2.1.2 結(jié)果對比分析

圖2 穩(wěn)定氫氣濃度分層的形成(1000s)Fig.2 Formation of stable hydrogen stratification

經(jīng)過長達(dá)1000s的氫氣噴射和擴(kuò)散，氫氣已經(jīng)在安全殼內(nèi)形成了穩(wěn)定的分層現(xiàn)象，自穹頂向下在安全殼內(nèi)存在不同濃度梯度的多個(gè)氫氣云層。圖2的模擬結(jié)果表明，最上面的氫氣濃度已經(jīng)達(dá)到10%以上，而下部空間氫氣濃度逐漸降低，直至最下部的氫氣濃度基本為零。這與實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定分層現(xiàn)象的形成一致，即自穹頂至下在安全殼內(nèi)部存在不同濃度梯度的多個(gè)氫氣云層。值得注意的是，在內(nèi)部流道內(nèi)的氫氣濃度也出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，但是氫氣的濃度明顯低于外部空間，說明類似于隔間的結(jié)構(gòu)會限制氫氣的擴(kuò)散。

圖3對比了安全殼內(nèi)不同位置氫氣濃度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值的符合性。從對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在安全殼的上部區(qū)域(+8.3m，+7.5m)，整個(gè)計(jì)算期內(nèi)氫氣濃度的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值較吻合；在安全殼的中部(+6.3m，+5.98m)，隨著噴射時(shí)間的增加，偏差有所增大，這主要是因?yàn)樵谀M中沒有考慮空間凝結(jié)現(xiàn)象，而蒸汽本身的密度比氫氣大得多，大部分蒸汽在重力作用下向安全殼下部沉降，導(dǎo)致下部區(qū)域氫氣相對份額的降低。

圖3 不同位置氫氣濃度實(shí)驗(yàn)值與模擬結(jié)果的對比Fig.3 Hydrogen concentration comparison between experiment and simulation at different levels

在內(nèi)部通道處(+4.67m)，在計(jì)算初期模擬預(yù)測值偏高，這與k-ε模型對擴(kuò)散效應(yīng)的高估有關(guān)[8]，隨著計(jì)算時(shí)間的增加，在800～1000s，氫氣濃度的計(jì)算值較實(shí)驗(yàn)值偏小，一方面是因?yàn)檎羝鲁翆?dǎo)致，同時(shí)由于該點(diǎn)位于內(nèi)部通道，影響氫氣擴(kuò)散的因素更為復(fù)雜，因此對模擬是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。整體來講，程序?qū)錃鉂舛鹊念A(yù)測值偏差是可接受的，說明選取的k-ε模型適用于中等規(guī)模安全殼氫氣流動的模擬。

2.2 安全殼模擬裝置建模

2.2.1 分析對象

本文研究的對象是中等規(guī)模非能動安全殼模型實(shí)驗(yàn)裝置，本體為一個(gè)直徑為4.3m的圓柱形筒體，上下兩端為橢圓形封頭，凈高約8m，容積95m3。實(shí)驗(yàn)裝置用于研究大空間氫氣流動分布，支持相關(guān)模型的開發(fā)與改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)選取氦氣作為氫氣的替代工質(zhì)，氦氣的噴射是通過安裝于安全殼下部+1.5m標(biāo)高的中心噴頭或近壁面噴頭完成的。

2.2.2 工況序列

在核電廠失水事故導(dǎo)致的嚴(yán)重事故進(jìn)程中，隨著一回路的快速卸壓，在事故進(jìn)程的中長期，氫氣主要以浮力射流的形式從破口處低速釋放[8]。因此，本文選取此階段的氫氣釋放作為工況序列，研究低速浮力射流條件下氫氣的擴(kuò)散和分布規(guī)律。

初始狀態(tài)下安全殼裝置內(nèi)充滿100℃的空氣、氦氣或氦氣與蒸汽的混合氣體以低速浮力射流的形式進(jìn)行噴射，選定低動量(1m/s)氦氣中心噴射為基準(zhǔn)工況，采用基準(zhǔn)工況+單因素對比的方式，通過改變氦氣的噴射位置為近壁面噴射，研究噴射位置對氦氣分布的影響；通過增加水蒸氣的混合噴射，并考慮壁面凝結(jié)現(xiàn)象，研究水蒸氣壁面凝結(jié)對氦氣分布的影響。因此，本次模擬工況序列包括三種工況，分別是低動量氦氣中心噴射、近壁面噴射以及考慮壁面凝結(jié)效應(yīng)的氦氣+蒸汽中心噴射。三種工況參數(shù)見表1所列。

表1 三種工況參數(shù)列表Table 1 parameter lists of three conditions

注：① 氦氣與蒸汽的體積比為1∶2；

② 給定安全殼壁面溫度為25℃，蒸汽為100℃的飽和蒸汽。

3 安全殼模擬裝置內(nèi)氫氣分布特性分析

3.1 基準(zhǔn)工況分析

氦氣中心噴射工況作為模擬的基準(zhǔn)工況，研究單純氦氣浮力射流在安全殼模型內(nèi)的流動現(xiàn)象。圖4的模擬結(jié)果表明，氦氣流以浮力射流的形式從噴頭噴出，在慣性力和浮力共同作用下向上流動到安全殼穹頂，之后大部分氣體沿著壁面向外圍擴(kuò)散，逐漸擴(kuò)展至穹頂與圓筒壁接合處，然后沿著豎直圓筒壁面向下擴(kuò)散。這時(shí)，浮力對氣流的流動產(chǎn)生反向抑制作用，氣流流速逐漸衰減，并開始脫離安全殼壁面，向中央射流區(qū)與壁面之間的穹頂區(qū)域擴(kuò)散，直至全部覆蓋穹頂。至150s時(shí)，安全殼內(nèi)部已經(jīng)建立了氦氣濃度的分層，隨著氦氣噴射量的增加，上部高濃度氦氣層逐漸向下部擴(kuò)展，形成自上而下濃度逐漸降低的多層次氦氣云層。

圖4 氦氣濃度分布云圖(基準(zhǔn)工況)Fig.4 Helium concentration distribution cloud(a) 10s；(b) 50s；(c) 100s；(d) 150s

由于氦氣浮力射流為有限空間淹沒射流，因此氦氣在空間內(nèi)的擴(kuò)散和分布將會受到周圍環(huán)境的限制。圖5氦氣擴(kuò)散流線表明，在10s時(shí)，氦氣流尚未完全克服上部空氣的限制，在空氣的阻礙作用下，氦氣流逐漸減速并向四周擴(kuò)散，而到50s時(shí)，氦氣流已經(jīng)在入射口上部建立起穩(wěn)定的通路，即持續(xù)噴射的氦氣占據(jù)了原來空氣占據(jù)的空間。

圖5 氦氣擴(kuò)散流線圖(基準(zhǔn)工況)Fig.5 Helium migration streamline(a) 10s；(b) 50s

3.2 噴射位置因素

改變噴射位置為近壁面噴射，其他參數(shù)保持不變。圖6的氦氣濃度分布云圖與基準(zhǔn)工況對比表明，噴射位置對氦氣射流流動的影響主要體現(xiàn)在壁面對射流擴(kuò)散的引導(dǎo)作用，即氣體傾向于沿著安全殼壁面進(jìn)行流動和擴(kuò)散。

在近壁面噴射工況中，氦氣流首先沿著壁面上升，直至通過穹頂壁面流動至安全殼的另一側(cè)，之后開始出現(xiàn)氦氣流與壁面的分離，形成回流的漩渦。而對于中心噴射工況，由于浮力射流四周無壁面引導(dǎo)，氦氣向徑向的擴(kuò)散較近壁面噴射明顯，但氦氣向上部的流動沒有近壁面噴射迅速，這可能是浮力射流在近壁面處更能保持其層流特性的原因。

隨著氦氣注入的繼續(xù)，兩種工況的浮力射流均到達(dá)安全殼穹頂，并沿著穹頂上部的壁面向外擴(kuò)散，這進(jìn)一步印證了氦氣流傾向于沿著壁面進(jìn)行流動的特點(diǎn)。到100s時(shí)，擴(kuò)散開始穩(wěn)定，即氦氣以逐層濃度分層的形態(tài)向下擴(kuò)散，直至最終覆蓋整個(gè)安全殼空間，這主要是由于氦氣的密度較低，浮力效應(yīng)顯著，而噴射射流的動量較低，在流動過程中逐漸衰減，因此驅(qū)動氦氣分層擴(kuò)散的主要動力是濃度差，而不再是由動量引起的對流擴(kuò)散。

3.3 壁面凝結(jié)效應(yīng)

非能動先進(jìn)反應(yīng)堆安全殼冷卻是影響嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)熱工水力現(xiàn)象和氫氣分布的重要因素，因此必須考慮蒸汽壁面凝結(jié)對氫氣分布的影響。針對這一特征，本文考慮壁面凝結(jié)模型，研究其對氦氣分布的影響。

3.3.1 壁面凝結(jié)模型

壁面凝結(jié)模型能夠模擬帶蒸汽的多組分氣體在安全殼壁面的傳熱、傳質(zhì)過程，為了簡化計(jì)算，將壁面作為熱量阱和質(zhì)量阱處理，不考慮凝結(jié)水膜的厚度和其對傳熱過程的影響。假設(shè)A、B兩種組分構(gòu)成的混合氣體，其中A為不凝結(jié)氣體，B為凝結(jié)氣體，在距離壁面邊界為y的位置，與壁面?zhèn)鬟f的對流質(zhì)量通量分別為JA、JB，兩種氣體的摩爾份額分別為XA、XB，則對于A、B兩種氣體分別列出質(zhì)量守恒方程，如式(4)～式(6)。通過求解守恒方程，可得到該處單位時(shí)間可凝結(jié)氣體的凝結(jié)質(zhì)量通量。

圖6 氦氣濃度分布云圖(近壁面噴射工況)Fig.6 Helium concentration distribution cloud(a) 10s；(b) 30s；(c) 50s；(d) 100s

(4)

(5)

XA+XB=1

(6)

式中：Jm——混合氣體的總質(zhì)量通量；

DAB——相間擴(kuò)散系數(shù)；

Cm——混合氣體的分子密度。

由上式(4)～式(6)求得凝結(jié)質(zhì)量通量為：

(7)

3.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖7是考慮蒸汽壁面凝結(jié)工況下氦氣濃度分布云圖。由于此工況是等流量條件下的混合氣體噴射(氦氣、蒸汽體積比為1∶2)，因此同一時(shí)刻氦氣的總?cè)肷淞繛榍笆鰞煞N工況的 1/3。為便于工況對比分析，將云圖的最大氦氣濃度設(shè)為5%體積份額。對比基準(zhǔn)工況可以發(fā)現(xiàn)，氦氣在空間內(nèi)的分布呈現(xiàn)出不同的特征，在壁面上氦氣擴(kuò)散地更加迅速和廣泛，這與溫差促進(jìn)自然對流及蒸汽凝結(jié)夾帶作用有關(guān)。

在工況的初始階段，氦氣在空間內(nèi)的擴(kuò)散較基準(zhǔn)工況更加強(qiáng)烈，這主要是因?yàn)閾Q熱效應(yīng)和蒸汽夾帶促進(jìn)了氦氣的擴(kuò)散作用；在近壁面區(qū)域的氦氣分布上，冷凝工況下由于溫差作用促進(jìn)了自然對流的建立，促進(jìn)了氦氣在空間內(nèi)的擴(kuò)散，從分析結(jié)果看出，氦氣沿著壁面一直擴(kuò)散到噴射點(diǎn)以下的區(qū)域，這在基準(zhǔn)工況中是觀測不到的。

圖7 氦氣濃度分布云圖(蒸汽壁面凝結(jié)工況)Fig.7 Helium concentration distribution cloud(a) 100s；(b) 150s；(c) 200s；(d) 250s

4 結(jié)論

本文對中等規(guī)模安全殼模型氫氣分布特性進(jìn)行研究，首選利用THAI HM2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所選程序模型的適用性，然后以待研究中等規(guī)模非能動安全殼模型實(shí)驗(yàn)裝置為對象進(jìn)行氦氣分布行為分析，研究了不同噴射位置、蒸汽壁面凝結(jié)對氦氣分布的影響，得到如下結(jié)論。

(1) 噴射位置對氦氣浮力射流流動的影響主要體現(xiàn)在壁面對氦氣流擴(kuò)散的引導(dǎo)作用，氦氣流更傾向于沿著安全殼壁面進(jìn)行流動和擴(kuò)散。

(2) 蒸汽壁面冷凝效應(yīng)所帶來的溫差驅(qū)動能夠促進(jìn)安全殼內(nèi)自然對流的建立，從而顯著提高氦氣在空間內(nèi)的擴(kuò)散和混合效果。

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AnalysisofHydrogenDistributionCharacteristicsandInfluentialFactorsinContainmentModelFacility

HUXiao-ming，TONGLi-li，CAOXue-wu

(Shanghai Jiao Tong university，Shanghai 200240，China)

By employing method of computational fluid dynamics，the benchmark experiment THAI HM-2 is simulated to verify the availability of CFX model in containment hydrogen analysis. By comparing the results between simulation and experiment，it shows that prediction value corresponds well with measured experimental data，thus it can be concluded that CFX model is capable of containment hydrogen analysis in containment model facility. Then，three dimension geometric model of containment model facility and its mesh are built using CFX to simulate helium(substitute medium of hydrogen)migration and distribution inside containment model focusing on influence factors including different injecting location and vapor wall condensation on the helium distribution. The simulation results indicate that the effect of near wall injection is mainly on phenomenon of wall induced flow，i.e.，helium is more inclined to flow and migrate along the containment wall.. Heat transfer between vapor and containment surface and wall condensation of vapor will further promote the setup of natural convection and improve mixing of helium inside containment.

Containment；Hydrogen；Migration；CFD

2016-01-25

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2015ZX06004003-001)

胡效明(1989—)，男，山東濰坊人，碩士研究生，現(xiàn)從事核能與核技術(shù)工程方面研究

曹學(xué)武：caoxuewu@sjtu.edu.cn

TL364+.4

A

0258-0918(2017)05-0741-09