基于Fluent的鈉火事故下氮氣滅火效果分析

崔振鐸 杜海鷗

摘 要：基于Fluent軟件及化學動力學方法，結(jié)合 湍流模型和有限速率模型，建立了描述池式鈉火及氮氣滅火效果的數(shù)值計算模型，求解得到房間內(nèi)氣體溫度、壓力及氧氣質(zhì)量分數(shù)的變化曲線，并使用美國氮氣淹沒試驗F2對數(shù)值計算結(jié)果進行對比驗證。結(jié)果表明，房間氣體溫度、壓力、氧氣質(zhì)量分數(shù)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為一致，溫度較高區(qū)域主要集中在鈉池表面附近，距離鈉池較遠處氣體的溫度相差不大；壓力在一段時間后維持約260Pa的微正壓；21min時，氣體中的氧氣質(zhì)量分數(shù)約為5%，可達到滅火要求。該研究結(jié)果對鈉火事故下氮氣淹沒系統(tǒng)的進一步研究有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：池式鈉火 氮氣淹沒 Fluent軟件 數(shù)值計算

中圖分類號：TD752 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0082-04

中國實驗快堆（以下簡稱“CEFR”）采用液態(tài)堿金屬鈉作為冷卻劑。由于鈉活潑的化學性質(zhì)，一旦高溫液態(tài)鈉發(fā)生泄漏，它就會和空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，導致鈉火事故的發(fā)生，從而危及該房間內(nèi)的安全設(shè)備和系統(tǒng)以及建筑結(jié)構(gòu)的安全，而且可能對環(huán)境、工作人員甚至公眾人員造成放射性傷害。因此，CEFR采取了氮氣淹沒系統(tǒng)及事故排煙系統(tǒng)等手段，以期獲得鈉火安全的嚴格保證。其中，氮氣淹沒系統(tǒng)是利用氮氣降低火區(qū)內(nèi)氧氣的濃度含量，使火災“窒息”來達到滅火的目的，并且維持一回路鈉工藝間約100Pa的負壓，防止放射性由于壓差而向外擴散。

由于鈉火事故的危險性，為有效實現(xiàn)鈉火防護，美國、日本[1]等擁有快堆的國家曾對氮氣系統(tǒng)的滅鈉火效果進行過大量的基礎(chǔ)性實驗研究，但試驗數(shù)據(jù)較為缺乏，因此有必要針對鈉火事故下氮氣的滅鈉火效果進行詳細研究。本文分別采用FLUENT軟件中的有限速率模型與湍流模型模擬池式鈉火的燃燒過程和氮氣、氧氣的流動擴散過程，研究鈉火事故下氮氣淹沒對房間內(nèi)溫度、壓力及氧氣濃度的影響，并采用美國試驗數(shù)據(jù)對計算結(jié)果進行驗證，確定模型選擇的合理性，從而為氮氣淹沒系統(tǒng)進一步地設(shè)計改進及工程應用提供建議。

1 數(shù)值方法及物理模型

1.1 FLUENT軟件

本次研究中使用的FLUENT軟件，采用以有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）為核心的數(shù)值計算方法，可以完成多種流動情況的模擬。通過CFD軟件模擬，我們可以觀察并分析流場內(nèi)的各種現(xiàn)象，不斷修改模擬參數(shù)使其逐漸接近于所分析問題的實際情況，達到最佳模擬效果，為解決實際問題提供合理化的建議。

1.2 基本控制方程

氮氣淹沒系統(tǒng)滅火過程中，氮氣瓶中的氮氣在壓力作用下從噴頭噴出，并在房間內(nèi)快速流動與擴散，與空氣混合降低氧氣濃度實現(xiàn)滅火的目的。由流體力學理論可以得知，氮氣淹沒過程中，各項物質(zhì)遵循質(zhì)量守恒、動量守恒以及能量守恒，其控制方程見文獻[2]。

1.3 湍流模型

假設(shè)鈉火事故中，鈉泄漏后形成的是池火，由于淹沒過程中氮氣淹沒系統(tǒng)及事故排煙系統(tǒng)啟動，使得房間內(nèi)部流動呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。在本次研究中，采用標準k-ε模型封閉方程組，并使用標準壁面函數(shù)法對房間內(nèi)壁進行處理，確保數(shù)值解的可靠性。標準k-ε模型方程的具體形式見文獻[3]。

1.4 化學反應模型

鈉發(fā)生泄漏后，少量鈉在下落中以液滴狀態(tài)燃燒，而大部分在地面形成鈉池，發(fā)生池式鈉火，其主要化學反應方程式[4]為：

在鈉燃燒過程中，當氧氣過量時主要反應產(chǎn)物為Na2O2，當鈉過量時主要產(chǎn)物則為Na2O。在本次模擬中，假設(shè)化學產(chǎn)物中Na2O2與Na2O同時存在。反應中鈉燃燒消耗的氧氣含量是由化學反應速率決定的，研究中只考慮了反應物濃度和溫度對反應的影響。

在FLUENT提供的幾種化學反應模型中，有限速率/渦耗散模型簡單地結(jié)合了Arrhenius公式與渦耗散方程，并選擇其中的較小值作為化學反應速率，其中Arrhenius公式[5]如下：

上式中：ω為化學反應速率，mol/（m3·s）；k為化學反應速率常數(shù)；CA為反應物A的濃度，mol/m3；CB為反應物B的濃度，mol/m3；a、b分別為反應物A、B的濃度指數(shù)；A為指前因子；Eα為化學反應活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）。

由于目前FLUENT數(shù)據(jù)庫中缺少鈉的熱物性，因此在進行鈉火的模擬分析時，需要給該軟件添加鈉火計算相關(guān)的數(shù)據(jù)，主要有鈉及其氧化物的熱工流體參數(shù)，包括密度、比熱容、導熱系數(shù)、動力粘度、標準摩爾生成焓、標準熵等熱物性。這些數(shù)據(jù)通過調(diào)研相關(guān)文獻給出[6]。

1.5 房間氣體泄漏率

由于房間建筑的不密封性，發(fā)生鈉火的房間與周圍房間會發(fā)生氣體交換，即房間氣體泄漏。在通風房間內(nèi)鈉火呈池式時，氣體介質(zhì)的壓差一般不大，氣體流速比靜止氣體中的聲速小得多。假設(shè)氣體符合理想氣體狀態(tài)方程，則根據(jù)伯努利方程可以推導如下的氣體泄漏公式[7]：

式中：Q為氣體泄漏體積流量，m3/s；Cd為泄漏系數(shù)，裂口形狀為圓形時取1.00；A為泄漏面積，m2；ΔP為泄漏處內(nèi)外壓差，Pa；ρ為泄漏氣體的密度，kg/m3。

通過已知的房間泄漏率及泄漏介質(zhì)，可以得到房間的泄漏面積，并將其設(shè)為泄漏出口在模型中體現(xiàn)出來。

2 數(shù)值模型驗證

2.1 美國F2氮氣淹沒試驗描述

美國氮氣試驗F2模擬了標準大氣壓下Fast Flux Test Facility（FFTF）管子隔間的主回路鈉泄漏事故。其目的是評估使用氮氣淹沒進行空間隔離實現(xiàn)鈉火防護的有效性，并且驗證FFTF中的氮氣淹沒流量的合理性。該試驗與CEFR氮氣淹沒使用的不同之處在于，其用在二回路鈉工藝間，不需要考慮放射性的外逸，而是要考慮外界氧氣的內(nèi)流，因此在試驗中維持了一定的微正壓[8]。

2.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗房間的外形尺寸等相關(guān)數(shù)據(jù)，本文利用ANSYS ICEM CFD對該房間進行了全尺寸的幾何建模，并采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，獲得用于數(shù)值計算的四面體網(wǎng)格。由于氮氣入口及泄漏出口尺寸較小并且存在較大的速度梯度，鈉池附近存在溫度梯度，因此對該部分區(qū)域進行網(wǎng)格加密，從而提高網(wǎng)格質(zhì)量，便于計算收斂。圖1為ICEM建立的幾何模型與所劃分的網(wǎng)格情況（1為泄漏鈉池；2為氮氣入口，Φ為31.75mm；3為泄漏出口，Φ為75mm；4為試驗房間）。

2.3 計算參數(shù)設(shè)置

在對上述模型進行數(shù)值計算時，為簡化計算過程，需做出以下假設(shè)：

（1）泄漏瞬時完成，并且形成的鈉池為燃燒鈉的量；

（2）房間內(nèi)氣體的壓力與溫度符合理想氣體狀態(tài)方程；

（3）初始參數(shù)按照氮氣淹沒啟動時房間及鈉池的參數(shù)確定，如溫度、壓力、氧氣濃度等。

在計算中采用質(zhì)量入口邊界條件，質(zhì)量流量為3.54×10-2kg/s，溫度299K；泄漏口為壓力出口條件，設(shè)為0Pa的常壓，回流溫度為300K；鈉池為無滑移壁面，并發(fā)生表面化學反應，溫度為825K；由于墻體外側(cè)包有一層保溫層，不必考慮與外界的換熱，因此設(shè)置無滑移壁面，絕熱邊界；氮氣淹沒系統(tǒng)啟動時，氧氣質(zhì)量分數(shù)為15.7%，將它們作為房間氣體參數(shù)的初始條件。

采用基于壓力的分離式求解器，運用PISO算法求解壓力-速度耦合方程，動量、組分、湍動能等方程采用二階迎風差分格式，瞬態(tài)方法求解，設(shè)置時間步長為0.5s，計算時間為3000s。

3 模擬結(jié)果與分析

模擬計算中設(shè)置的溫度、壓力以及氧氣分數(shù)測點共6個，其中測點1～5位于鈉池中心正上方，分別為63.5mm、190.5mm、1219.2mm、3352.8mm、5181.6mm，測點6大致位于氮氣入口上方，高度為5181.6mm。

3.1 氧氣質(zhì)量分數(shù)分析

房間氣體介質(zhì)中氧氣質(zhì)量分數(shù)的試驗結(jié)果與計算結(jié)果曲線如圖2所示。

從圖2不難得知，計算值與試驗值的變化趨勢一致，都隨著時間呈指數(shù)形式下降，這比較符合實際情況，說明計算結(jié)果反應的氧氣質(zhì)量分數(shù)變化規(guī)律是可信的。整體上來說，計算結(jié)果略高于試驗值，如果忽略試驗儀器和設(shè)備本身的影響，可能原因是模擬中泄漏出口的氧氣質(zhì)量含量設(shè)置為5%，但該結(jié)果在氮氣淹沒系統(tǒng)的設(shè)計上屬于保守估計。測點2處的氧氣質(zhì)量分數(shù)要遠低于測點5處，這是因為測點2更靠近鈉池，當鈉火發(fā)生后，該位置處的氧氣比測點5處的氧氣消耗得更快。從計算結(jié)果看出，當?shù)獨鈬娙黾s21min時，房間內(nèi)氧氣濃度為5%，可達到滅火要求，這與實際的20min相差不大。

3.2 房間氣體溫度分析

房間氣體溫度的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在所計算的時間內(nèi)，房間內(nèi)氣體溫度的計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，并且越高處的氣體溫度越低。整體上來說，計算結(jié)果要略高于試驗值，可能原因：（1）模擬計算中的鈉火燃燒較為劇烈，釋放熱量較多；（2）計算中假設(shè)鈉池溫度一直處于825K，而實際上鈉溫一段時間后會下降，這也是造成結(jié)果偏高并且氣體溫度并沒有出現(xiàn)下降的過程的原因；該結(jié)果在滅火設(shè)計方面可用于保守估計。另外，溫度較高的區(qū)域主要集中在鈉池表面附近，對于距離鈉池較遠處的氣體，它們的溫度相差不大，說明氣體流動會對溫度分布造成較大的影響。

3.3 房間內(nèi)壓力分析

房間內(nèi)相對壓力的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果如圖4所示。

壓力的變化趨勢符合實際情況，隨著氮氣注入及鈉火燃燒，房間壓力逐漸上升，氣體泄漏量隨之增大，當氣體泄漏量與氮氣流量一致時，房間內(nèi)氣體壓力達到穩(wěn)定值，即維持在260Pa左右。由于在模擬過程中，考慮了鈉氣溶膠對房間泄漏率的影響，鈉火燃燒產(chǎn)生的部分鈉氣溶膠沉積在房間內(nèi)壁上，會造成房間泄漏率下降以致于泄漏面積的減小，假設(shè)試驗后的泄漏率為整個淹沒過程中的氣體泄漏率，因此計算得到的房間壓力要大于試驗中的壓力；另外計算得到的氣體溫度較高，會造成氣體密度偏小，因此最終的房間壓力相對試驗值來說較高。

4 結(jié)語

本文基于CFD方法及化學動力學方法，對池式鈉火事故下氮氣的滅火效果進行了三維數(shù)值模擬，并通過美國F2氮氣淹沒試驗對計算模型的驗證，得出以下結(jié)論。

（1）Fluent軟件可以用于池式鈉火事故下氮氣滅火效果的數(shù)值計算，并且計算得到的溫度、壓力和氧氣質(zhì)量分數(shù)與試驗結(jié)果相差不大，說明k-ε湍流模型與有限速率模型的選擇是有效的。

（2）氮氣的注入可以快速降低房間內(nèi)氧氣的濃度，并且維持一個微正壓以防止外界氧氣內(nèi)流，從而使鈉火窒息熄滅，說明氮氣淹沒進行的空間可以有效實現(xiàn)鈉火防護。

（3）將房間泄漏率以泄漏出口的形式體現(xiàn)在幾何模型中是合適的，但是該出口應盡量遠離氮氣入口，以免造成更大誤差。泄漏面積可以通過房間壓差、泄漏流量及氣體密度進行確定。

參考文獻

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