基于ANSYS软件某后处理厂动态密封系统的分析优化

王寅　尹俊植

【摘  要】針对某乏燃料后处理厂放射性水平高、污染等级高的需求特点，分析动态密封系统设计方案并进行优化。在某乏燃料后处理厂已有设计工况通风方案的基础上，阐释经典流体力学理论基础;使用业内主流的ANSYS软件，采用科学方法论，从三维模型建立，到网格具体划分，进行20组对照模拟实验;从空气迹线，速度变化，分析典型性房间流场变化;以风量为边界条件，对动态压差及阻力系数进行进一步的设计优化。

【关键词】动态密封;ANSYS;流体力学;负压控制

核能作为一种高效、稳定的清洁能源，已经是世界能源结构中不可或缺的组成部分。核电，是我国的国家名片，是我国落实“一带一路”战略的重要抓手，安全有效的发展核电，是我国十三五期间能源转型发展的重要方针。在核电装机容量大幅增加的背景下，如何进一步调整能源结构，降低碳排放，节约资源，控制成本，处理日益增多的核电乏燃料，实现核燃料循环利用发展，保障核工业体系安全稳定运行，成为核电领域发展面临的新问题，具有重要的意义[1]。某乏燃料后处理厂的建设，为解决此类需求提供了具体的解决措施和场景。利用后处理对核燃料进行处理，可以大大提高铀资源利用率，同时降低放射性废物的处置成本，缩短监管时间[2]。

某乏燃料后处理厂根据房间放射性剂量水平的不同，划分成红区、橙区、绿区、白区，每个分区之间的压差，存在压差梯度。某乏燃料后处理厂的特点是放射性水平高，污染等级高，因此需要通过静态密封（建、构筑物、管道、过滤器等）和动态密封（气流组织、负压梯度等）来控制污染物不外泄，控制气流组织由非污染区域到污染区，由低污染区到高污染区。这其中的动态密封更为重要，它可以保障厂房静态密封失效时，依然能够保障各分区之间的污染等级、缓解污染物外泄的问题[3]。常见的负压控制方式大致为文丘里阀控制方式，定风量阀控制方式，电动调节阀控制方式和变频风机控制方式[4]。

从以往工程的调试和运行的经验来看，进行通风动态密封系统设计时，普遍存在不同分区负压调节难，控制难的问题，并没有足够的实例依据去探讨其中机理逻辑。因此，此篇论文将会以动态负压控制系统为核心，以经典流体力学理论为基础，用业内主流的模拟软件Ansys为手段，尝试以工程实例作为依据，为之后进一步核通风难点的攻克，提供实例支撑。

1 理论基础

数值模型涉及到强迫对流、浮力对流等，需求解N-S方程，并采用标准K-e湍流方程进行封闭，研究速度场、温度场、压强场的分布情况，分析系统的阻力特性和加热特性。

1.1 空气流场控制方程

连续方程：

（1）

式中：r——密度，kg/m3;

——速度矢量，m/s。

动量方程：

（2）

式中：——应力，Pa;

——空气压强，Pa;

——重力加速度，m/s2;

——侧体力，例如多孔介质或其他源项，N/m3;

其他符号同上。

能量方程：

（3）

式中：——空气焓，J/kg;

——湍流粘性系数，Pa×s;

——湍流Prandtl数;

——热源项，W/m3;

——空气温度，K;

——空气的比热，J/（kg×K）

（4）

式中：——红区排风过滤器廊的静压，Pa;

——红区排风过滤器廊的送风量，m3/h;

——红区排风过滤器廊的设计风量，m3/h。

1.2计算方法

采用商业计算流体软件FLUENT 进行某乏燃料后处理厂房内流场三维数学模型的求解。针对某乏燃料后处理厂房内在部分工况条件下存在自然对流，动量方程中浮力是不可忽略的作用力，需要考虑浮力效应。空气流动、传热需耦合求解。离散方程的求解采用分离变量法，速度与压力的解耦采用SIMPLEC算法。速度和温度场的离散格式采用QUICK格式[5]。

2 工况介绍与模拟设置

2.1 计算工况

共计开展了21组工况，除设计工况条件（排风管流速为6.75m/s）外，还研究排风口流速由1m/s逐渐增至20m/s的工况。

表1 计算工况及吹气仪表廊的负压（空气密度rg=1.225kg/m3）

2.2 網格划分与模型设置

GAMBIT软件是FLUENT公司提供的前处理软件，它包含功能较强的集合建模能力和强大的网格划分工具，可以划出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。本项目将采用GAMBIT网格划分软件建立三维模型。三维模型采用非结构四面体网格。网格的具体划分采用结构化网格和自适应性网格相结合的方式。针对关键位置或关注剖面，采用较密的网格。

红区排风过滤器廊属于橙区（A），设计负压不高于-150Pa。送风管道为方管，排风管道为圆管，设计流量时6000m3/h。网格计算域时量槽管道廊、排风管和送风管，网格数量约为214万。图1至3给出了计算网格模型、排风口和送风口位置。

图1红区排风过滤器廊计算网格模型

图2 送风管道和4个送风口

图3 排风管道和4个排风口

3 结果分析

3.1 红区排风过滤器廊流场分析

图4给出了红区排风过滤器廊空气迹线。空气由送风方形管流入电缆廊，在室内旋转，然后通过圆形排风管道流出。

图4 红区排风过滤器廊内空气迹线图

图5给出了设计工况条件下管道高度断面静压和总压分布。除进风口附近，红区排风过滤器廊压力分布均匀。

（a）静压              （b）总压

图5 管道中心高度断面压力分布（设计工况，Pa）

图6给出了管道高度断面速度分布。空气以射流的形式，从方形管的4个进风口斜向流入吹气仪表廊后，空气流速快速降至0.5m/s以下。4个小的侧向进风口的流量分配比例是：0.22：0.24：0.26：0.27;4个小的侧向排风口流量分配比例是：0.31：0.25：0.22：0.22，这个比例受风量变化而变化很小，可近似认为不变。

（a）速度大小             （b）速度矢量

图6 管道中心高度断面空气流速分布（设计工况，m/s）

3.2 红区排风过滤器廊压力分布

图7给出了红区排风过滤器廊内静压与风量的关系。随风量增大，红区排风过滤器廊内静压逐渐降低，二者呈非线性关系。在设计风量条件下，红区排风过滤器廊内的静压为-96Pa，小于红区负压设计要求-150Pa，不满足负压设计要求;当红区排风过滤器廊为设计流量的1.33倍，紅区排风过滤器廊内静压为-169Pa，此时已满足负压设计要求。因此从负压设计方面考虑，应将红区排风过滤器廊流量增大至设计值的1.33倍。式（4）给出了红区排风过滤器廊内静压与流量的关系计算式，表1给出了不同风量条件下红区排风过滤器廊内的静压值，可供设计时参考。

图7 红区排风过滤器廊内静压与风量的关系

图8给出了红区排风过滤器廊的阻力系数与风量的关系。随风量增大，阻力系数逐渐减小，但减小幅度越来越小;红区排风过滤器廊的总阻力系数约为6.0～6.6，由进风口值红区排风过滤器廊的阻力系数为3.3～3.7。

图8 红区排风过滤器廊的阻力系数与风量的关系

4 结论

基于ANSYS软件的分析结果，综上可知，在设计风量条件下，某核电厂红区排风过滤器廊的负压为-96Pa，不满足负压控制系统要求;从负压设计方面考虑，可将红区排风过滤器廊增大至1.33倍，则满足有关设计要求。在不同风量条件下，由进风口至室内的阻力系数逐渐趋于不变，约为3.3，其参考断面是进风口断面。

参考文献：

[1]孙学智，罗朝晖.全球乏燃料后处理现状与分析[J].核安全，2016，26（2）：13-16.

[2]张琦.关于加快发展核电站乏燃料后处理的建议[J].中国能源，2018，41（1）：44-47.

[3]张皎丹，张博，冯存强.乏燃料后处理厂通风控制系统设计方案[J].核科学与工程，2019，39（1）：120-124.

[4]孙荣亮，张青等.放 射 性 物质 实验 室 区域 性 负压 的 实施 与分 析[J].制冷与空调，2015，15（10）：48-52.

[5]李振，于慧俐.FLUENT 湍流模型在工程应用中的选择[J].科技创新，2016，13（1）：110-111.

（作者单位：中国核电工程有限公司）