核动力船舶主控室气载放射性浓度场分析

谭 冰，唐耀阳，吴荣俊，许 浒，郭智荣

(1．武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064;2．海军驻431 厂军事代表室，辽宁 葫芦岛125004)

0 引 言

核动力船舶装置一回路发生事故破损后，放射性物质会泄漏到反应堆邻近的主控室内。污染的空气会使人员持续受到内照射和外照射伤害，这种伤害对处在封闭环境下的人员尤其严重。优化设计主控室内通风能够合理控制气载放射性物质的分布，为工作人员提供良好的工作环境［1］。

本文利用Airpak 程序，利用2 种不同的通风方案，对主控室内的气载放射性物质浓度与分布进行了模拟和研究，选出最优化的一种方案，将气载放射性物质控制分布在无人员岗位区域。

1 模型和边界条件

1.1 流体数学模型

在船舶舱室内，气体扩散过程是湍流，用k －ε 湍流模型进行模拟。k － ε 模型包括的控制方程有:

连续性方程(质量守恒方程):

动量方程:

能量方程:

湍流动能方程(K 方程):

湍流能量耗散率方程(ε 方程):

1.2 物理几何模型

研究对象为船舶主控室。主控室内设备和管道繁多，结构复杂，以典型的主控室布置为原型，并对设备进行外形简化，省去尺度较小设备和管路，以便对物理模型进行网格化处理。主控室内设备主要有物理室、化学室和控制台屏等。建立的三维模型如图1 所示。

图1 主控室几何模型Fig.1 Geometrical model of master control room

1.3 边界条件设置

利用Airpak 进行网格的划分工作，因主控室内结构较为复杂，本文采用六面体非结构化网格，通风口处进行网格局部加密，网格数量为220 000。

假定核反应堆舱室向主控室泄漏率为1% Vr/h。另假定在泄漏过程中破口当量保持不变，泄漏率也同时保持不变，每个泄漏口的泄漏量为0.8 m3/h。

2 通风设计方案

舱室环境对船内人员的身心健康，工作效率有着非常重要的意义［2］。船舶通风设计是在保证船舶运行安全的条件下，最大限度保障船内人员的工作、生活舒适度［3－4］。

通风方案1 见图1，进风管道在舷右侧，出风管道在舷左侧，有1 个进风口，2 个出风口，将泄漏点简化为5 个圆形泄漏口，分布在主控室的前壁处。进风口和出风口面积为0.196 m2，设置主控室内设备材料为铁，使用理想流体进行模拟，选择流动计算模型为k －ε 两方程模型。设置好重力方向及大小，通风口的流场边界条件如表1 所示。

表1 主控室通风方案1Tab.1 Ventilation plan A of master control room

船舶舱室的通风效果不仅与通风量有关，而且也和舱室内合理的气流组织有关，合理的气流组织可以改善舱室内局部的通风环境，降低污染物聚集浓度，提高了舱室的安全性［5］。为获得更佳的通风效果，调整方案如图2 所示，进风管道在舷左侧，出风管道主控室后壁处，进风口为2 个，出风口为1 个，泄漏点简化为5 个圆形泄漏口，分布在主控室的前壁处。选择流动计算模型为k － ε 两方程模型。通风口的流场边界条件如表2 所示。

表2 主控室通风方案2Tab.2 Ventilation plan B of master control room

图2 方案2 中通风口位置图Fig.2 The position of inflow and outflow in plan B

3 模拟计算与结果分析

3.1 计算结果

设置好迭代收敛的准则，精度及迭代步数。调用Fluent 进行计算。

根据计算结果，截取Z = 0.6 m，Z = 1.3 m，Z = 1.8 m 处的界面，气载放射性物质分布如图3所示。主控室的物理模型Z 方向为从主控室铺板向上的方向，Z = 0 为铺板处，长度单位是m。泄漏气体浓度场中，颜色表示堆舱泄漏出来的气载放射性物质活度浓度。图上浅灰区域的气载放射性物质分布最多，相应区域内的放射性也最高，舱里的工作人员应该避免处于该区域。

图3 方案1 截面浓度场Fig.3 Concentration distribution of plan A

同理，选取Z = 0.6 m，Z = 1.3 m，Z = 1.8 m处的截面，方案2 的计算出主控室内浓度场分布的结果如图4 所示。

图4 方案2 截面浓度场Fig.4 Concentration distribution of plan B

3.2 浓度场分析

方案1 计算结果显示理想的工作区域主要集中在控制台屏6、控制台屏8 与物理室和化学室中间这一区域，这一区域设置人员的岗位是安全的。浓度最高为控制台屏1 ～4 与首部之间这一区域，靠近舱壁部分最高。浓度较低的是物理化学室与右舷侧壁之间;控制台屏6、控制台屏8 与左舷侧之间的区域。

方案2 计算结果显示气流场分布具有如下特征:首部的通风气流从左舷吹向右舷，形成一定的气幕阻挡了堆舱泄漏的气体向尾部流动。

气载放射性物质浓度分布主要特点如下:

1)主要泄漏气体高浓度区域有:主控室首部控制台屏与首部隔壁之间、主控室顶部靠近首部等区域以及物理化学室与右舷舱壁之间的区域;

2)从泄漏气体浓度分布上可以更明显看出绝大部分泄漏出来的气体被约束在主控室首部控制台屏与首部隔壁之间，首部送风区域形成的气幕作用明显;

3)堆舱泄漏的气体也存在一定的扩散，通过优化已将气载放射性物质压制在物理化学室后面无人区，主要工作区域的浓度值已经明显降低。

4 结 语

通过Airpak 对船上气载放射性物质的分布情况进行模拟分析，得出在最先通风条件下，人员工作处的气载放射性浓度较大。后通过优化船上通风，将气载放射性物质约束在主控室首部控制台屏与首部隔壁之间、物理化学室后面无人区。明显降低了主要工作区域气载放射性的浓度值。有效阻止了通风气流从高放射性区域向低放射性区域流动，降低含有放射性物质的空气扩散，保障了舱室工作人员的安全。

［1］江宁，宋福元，李彦军，等.船舶机舱通风数值模拟分析［J］.舰船科学技术，2012，34(8):52 -55.JIANG Ning，SONG Fu-yuan，LI Yan-jun. Numerical simulation of ventilation and analysis in ship engine room［J］.Ship Science and Technology，2012，34(34):52 -55.

［2］Literature survey on how different factors influence human comfort in indoor environments ［J］. Building and Environment，2012(46):922 -937.

［3］陈文战.舰船舱室环境工程技术综述［J］. 中国舰船研究，2012(7):83 -87.CHEN Wen-zhan.A review of environmental engineering of ship′s cabin［J］. Chinese Journal of Ship Research，2012(7):83 -87.

［4］金小闯，蒋合叶，黄林峰. 船舶舱室通风设计与分析［J］.机电信息，2013(24):154 -155.JIN Xiao-chuang，JIANG He-ye，HUANG Lin-feng.Analysis and design ventilation in ship′ s room［J］.Mechanical and Electrical Information，2013 (24):154-155.

［5］陈宁，张栋.船舶机舱机械通风的计算与气流组织分析［J］.舰船科学技术，2009，31(3):73 -74.CHEN Ning，ZHANG Dong. Calculation of artificial ventilation and analysis of airflow in ship engine room［J］.Ship Science and Technology，2009，31(3):73 -74.