多流道微流體慣性沖擊器過濾性能的模擬計(jì)算

王仕集， 牛風(fēng)雷， 張 薇

(華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

液體或固體小顆粒懸浮于氣體中形成的兩相或多相體系稱氣溶膠[1]。核電廠事故工況會導(dǎo)致其安全殼內(nèi)部空間放射性氣溶膠粒子濃度升高。為了防止核電廠周圍環(huán)境放射性水平超標(biāo)，當(dāng)前國內(nèi)外核電廠中用于氣溶膠過濾的設(shè)備主要有高效空氣過濾器、文丘里洗滌塔、礫石床過濾器、碘吸附器等[2]。其中部分過濾裝置主要過濾部件為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，氣溶膠顆粒吸附于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上會增大壓降，從而減小泄壓速率，對核電廠安全造成威脅。微流體慣性沖擊器利用慣性原理將氣溶膠中的粒子與空氣分離，其克服顆粒尺寸的影響，氣流通道直徑可高達(dá)氣溶膠顆粒直徑的三個(gè)數(shù)量級，收集的顆粒不堵塞氣流流動(dòng)，收集粒子的同時(shí)不影響泄壓速率[3，4]。

已有研究驗(yàn)證單流道慣性沖擊器的過濾效率與轉(zhuǎn)折角、截面長度、管長和氣流速度等相關(guān)[5],其利用FLUENT軟件僅對單流道微流體慣性沖擊器內(nèi)的流場和粒子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同氣體流速與氣溶膠粒子粒徑對過濾器過濾效率的影響，而實(shí)際使用時(shí)則需要多流道才能提高核電廠安全殼泄壓速率。因此需對多流道慣性沖擊器的過濾性能進(jìn)行測試，并探究影響多流道慣性沖擊器過濾效率的主要因素及其應(yīng)用可行性。

考慮到核電廠內(nèi)放射性氣溶膠粒子的成分，選用密度為4 500 kg/m3的硫酸鋇為放射性氣溶膠粒子材料[6]，以粒徑在0.5～7.0 μm的粒子作為過濾對象，通過 FLUENT模擬多流道慣性沖擊器內(nèi)的空氣流場，并利用DPM模型模擬計(jì)算粒子軌跡并得出過濾效率。通過不同類型的DPM離散相壁面邊界條件探究多流道慣性沖擊器的主要過濾面及過濾效率影響因素。

1 計(jì)算模型

多流道慣性沖擊器裝配關(guān)系圖如圖1所示。主要共包含三部分：上部分入口圓筒由上，下部分形狀分別為中空的倒圓錐體和圓環(huán)組成，入口直徑為15 mm；中間部分由兩片304不銹鋼金屬片組合成126個(gè)流道(其剖面圖見圖2)；下部分為出口圓筒，結(jié)構(gòu)與上部入口圓筒相同。多流道慣性沖擊器剖面圖見圖2。WALL1為入口圓筒內(nèi)壁面；WALL2為中部126個(gè)流道的內(nèi)壁面；WALL3為出口圓筒內(nèi)壁面。B1，B3分別為多流道之間的上，下實(shí)體部分面。考慮到單流道慣性微流體慣性沖擊器的過濾效率，根據(jù)文獻(xiàn)[7]選擇單流道入口直徑為1 mm,半流道長度為4 mm,轉(zhuǎn)折角為110°。

圖1 多流道微流體慣性沖擊器裝配圖及裝配體剖面圖Fig.1 Multi-channel microfluidic inertial impactor assembly drawing and assembly section profile

圖2 過濾流道剖面圖Fig.2 Multi-channel section profile

2 計(jì)算方法

核電廠安全殼內(nèi)氣溶膠粒徑是微米級別的尺寸，采用秦山二期安全殼內(nèi)1 g/m3的氣溶膠濃度作為計(jì)算氣溶膠粒子質(zhì)量流量的依據(jù)[8]。根據(jù)慣性過濾原理，當(dāng)主流流體流動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，懸浮于其中質(zhì)量較小的粒子則隨主流流體一起流出慣性沖擊器，而質(zhì)量較大的粒子由于慣性繼續(xù)保持原運(yùn)動(dòng)方向，從而撞擊壁面而被收集[3]。

2.1 粒子軌跡計(jì)算

以美國 SURRY 核電廠的 AB 事故(熱管段大破口失水事故疊加全場斷電事故)和 S2CD 事故(冷管段小破口疊加應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)和安全殼噴淋失效事故，但安全殼安全系統(tǒng)正常運(yùn)行)作為參照事故，安全殼內(nèi)氣溶膠粒子的中位粒徑范圍為2～3.96 μm[6]。

由于氣溶膠粒子粒徑為微米量級，且其體積分?jǐn)?shù)較小，假定粒子的運(yùn)動(dòng)對流場不造成擾動(dòng)，并認(rèn)為粒子流速與空氣流速相同，則粒子運(yùn)動(dòng)的無量綱方程為[9]

(1)

(2)

(3)

由于氣溶膠中的粒子粒徑是微米量級，作為離散相，當(dāng)濃度為1 g/m3時(shí)其體積分?jǐn)?shù)小于10%，因此可采用FLUENT中離散相模擬其軌跡。通過積分拉式坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相粒子的軌道。笛卡爾坐標(biāo)系下粒子所受的作用力平衡方程為[10]

(4)

(5)

(6)

式中:up,vp,wp分別表示氣溶膠粒子在x,y,z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度；ρp為粒子密度,ρg為空氣密度;μ為空氣動(dòng)力粘度；FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力；Fx表示其他作用力，考慮氣溶膠粒子粒徑及其運(yùn)動(dòng)狀況，F(xiàn)x包含重力，壓力梯度力以及薩夫曼升力。流動(dòng)狀態(tài)為湍流時(shí)采用粒子隨機(jī)軌道跟蹤方法通過式(4)～(6)來計(jì)算粒子軌道。

2.2 邊界條件設(shè)置

(1)連續(xù)相

入口處空氣流速分別取V=1 m/s,2 m/s,3 m/s,4 m/s,5 m/s;并設(shè)置為速度入口邊界。出口設(shè)置為101 325 Pa壓力出口。1 m/s與2 m/s流速下流動(dòng)狀態(tài)為層流，其余流速均為湍流狀態(tài)，控制方程選取二階迎風(fēng)的離散格式，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、壓力-速度耦合的SIMPLE算法，求解器采用隱式、定常求解。

(2)離散相

在FLUENT離散相模型邊界中，壁面邊界Escape(逃逸)表示粒子穿過壁面繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，用于入口與出口處；壁面邊界Trap(捕獲)表示粒子碰撞到壁面即被收集，并考慮粒子的沉積作用；Reflect(反彈)邊界則表示粒子撞擊壁面后即被反彈，壁面切向反彈系數(shù)εT及法向反彈系數(shù)εN分別為

εT=0.998-0.029α+6.43×

10-4α2-3.56×10-6α3

(7)

εN=0.993-0.0307α+4.75×

10-4α2-2.61×10-6α3

(8)

本文模擬計(jì)算A,B兩種不同離散相壁面邊界設(shè)置情況下多流道微流體慣性沖擊器的過濾效率。A型離散相壁面邊界表示多流道慣性沖擊器裝配體內(nèi)壁面均為粒子捕獲面；B型則表示只有中部多流道慣性沖擊器部分的內(nèi)壁面有粒子捕獲功能，其余內(nèi)壁面為粒子反彈面。離散相邊界條件設(shè)置見表1所示。

表1 壁面離散相邊界條件

Tab.1 Discrete phase boundary conditions of wall surfaces

壁面離散相壁面邊界ABInletEscapeEscapeWall1TrapReflectB1TrapReflectWall2TrapTrapB2TrapReflectWall3TrapReflectOutletEscapeEscape

由于氣溶膠粒子濃度為1 g/m3，不同流速下氣溶膠粒子的質(zhì)量流量見表2所示。

表2 不同流速下氣溶膠粒子質(zhì)量流量

通過追蹤不同空氣流速下粒徑dp為0.5～7.0 μm的氣溶膠粒子，可以得到多流道慣性沖擊器過濾效率η

3 結(jié)果及分析

3.1 層流狀態(tài)下粒子軌跡

當(dāng)入口流速分別為1 m/s與2 m/s，流動(dòng)狀態(tài)是層流， A類離散相邊界下1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm粒徑氣溶膠粒子軌跡圖3所示。

圖3 A型邊界流速為1 m/s的粒子軌跡圖Fig.3 Particle trajectory of type A boundary with velocity 1 m/s

圖3粒子軌跡圖表明層流狀態(tài)下氣溶膠粒子逃逸數(shù)量隨粒徑的增大而減?。浑S著粒徑的增大，在中部多流道慣性沖擊器內(nèi)壁面被收集的離子數(shù)增多；粒徑為4 μm的大部分粒子軌跡在多流道慣性沖擊器中部終止。其余粒徑粒子軌跡變化規(guī)律與圖3相同；流速為2 m/s時(shí)變化規(guī)律與1 m/s時(shí)相同。

B類離散相邊界下只有中部多流道慣性沖擊器內(nèi)壁面可以捕獲氣溶膠粒子，1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm粒徑氣溶膠粒子軌跡圖4所示。

圖4 B型邊界流速為1 m/s的粒子軌跡圖Fig.4 Particle trajectory of type B boundary with velocity 1 m/s

由圖4可看出，B型邊界粒子軌跡變化規(guī)律與A型相同；此外，相同流速與相同粒徑條件下，B型邊界出口逃逸粒子數(shù)大于A型邊界，主要原因是出口圓筒內(nèi)壁面上方將撞擊此處的粒子反彈，粒子隨空氣從出口逃逸。

3.2 湍流狀態(tài)下粒子軌跡

流速3 m/s, 4 m/s, 5 m/s時(shí)流動(dòng)狀態(tài)為湍流，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，A,B兩種邊界湍流情況下粒子軌跡變化規(guī)律與其層流狀態(tài)相同，而湍流狀態(tài)下由于氣流漩渦數(shù)量增多，粒子軌跡較層流更為紊亂,同流速同粒徑下逃逸的粒子數(shù)較層流狀態(tài)更少。

3.3 過濾效率

根據(jù)壁面收集的離子數(shù)與從入口處追蹤的粒子總數(shù)之比可得多流道慣性沖擊器的過濾效率，A，B兩種離散相邊界下不同流速，不同粒徑氣溶膠粒子的過濾效率分別如圖5、圖6所示。

圖5 A型邊界下多流道慣性沖擊器過濾效率Fig.5 Multi-channel inertial impactor filtration efficiency under A-type boundary

圖6 B型邊界下多流道慣性沖擊器過濾效率Fig.6 Multi-channel inertial impactor filtration efficiency under B-type boundary

由過濾效率曲線可看出，當(dāng)粒子粒徑小于4 μm時(shí)，A類型邊界對氣溶膠粒子的過濾效率明顯高于B類型；粒徑大于4 μm時(shí)，兩種類型邊界下過濾效率差別很小，且過濾效率均高于90%。兩種類型邊界下不同流速，不同粒徑氣溶膠粒子的過濾效率曲線變化趨勢均與文獻(xiàn)[5]中單流道的過濾效率曲線變化趨勢相符，即單流道與多流道的過濾效率均隨粒子粒徑與入口流速的增大而增大。由于多流道微流體慣性沖擊器入口直徑為單流道的15倍，實(shí)際應(yīng)用中可提高安全殼泄壓速度。

4 結(jié) 論

通過FLUENT模擬微流體慣性沖擊器內(nèi)部流場，利用離散相模型模擬層流與湍流狀態(tài)下兩種不同類型離散相邊界下的過濾效率曲線，得出以下結(jié)論：

(1)湍流與層流流動(dòng)狀態(tài)下多流道微流體慣性沖擊器對氣溶膠粒子的過濾效率隨粒子粒徑及流動(dòng)速度的增大而增大。

(2)多流道慣性沖擊器模型可針對嚴(yán)重事故下中位粒徑為2～3.96 μm的氣溶膠粒子進(jìn)行過濾，當(dāng)流速達(dá)到2 m/s及以上時(shí)過濾效率可高于90%；氣溶膠粒子粒徑小于4 μm時(shí)入口圓筒底面與出口圓筒內(nèi)壁面可促進(jìn)粒子過濾效率升高；

(3)實(shí)際應(yīng)用中多流道微流體慣性沖擊器較單流道慣性沖擊器可以明顯提高安全殼泄壓速度；其出口圓筒的長度可以縮短至現(xiàn)有長度的1/2，從而減小沖擊器的整體尺寸。