湍流模型對(duì)核電站安全殼內(nèi)氫氣傳輸模擬影響的研究

(核能與新能源， FLUENT和GASFLOW研究了不同湍流模型下，氫氣在安全殼內(nèi)的傳輸與混合的主要現(xiàn)象和過(guò)程。計(jì)算結(jié)果表明，RNGk模型能夠得到較合理的結(jié)果，它能夠較好的模擬氫氣的質(zhì)量擴(kuò)散，動(dòng)量擴(kuò)散和湍流特征；FLUENTk模型，kGASFLOWk模型能夠在氫氣濃度場(chǎng)分布上得到RNGk模型基本一致的結(jié)果，但是由于湍流導(dǎo)致的各種參數(shù)的波動(dòng)不能三個(gè)模型中得到較好的結(jié)果；GASFLOW中代數(shù)模型沒(méi)能較好的模擬氫氣的質(zhì)量擴(kuò)散：嚴(yán)重事故氫氣分布安全殼數(shù)值模擬引重[1]。氫氣、水蒸氣在安全殼內(nèi)的傳輸與混合是嚴(yán)重事故分析中重要的熱工水力學(xué)現(xiàn)象。計(jì)算流體力GASFLOWFLUENT可以模擬嚴(yán)重事故下氫氣在安全殼內(nèi)的傳輸與混合過(guò)程，確定氫氣濃度場(chǎng)的影響。本文將利用F1LUENT6.1和GASFLOW2.1程序中的幾種不同的湍流模型對(duì)氫氣的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)湍流單介紹[56]。tC 標(biāo)準(zhǔn)kkk及其耗散率k的(k)(ku)[(t)k]GGY t()

(ui)

[(t

]

k(GkC3Gb)C2

k2ktC RNGkRNG（RenormalizationGroup）k湍流模型利用重整化群方法來(lái)推導(dǎo)瞬態(tài)-方程。RNG模型的k，輸運(yùn)方程如（6），（7）所示： t(k)x(kui)x[keffx]GkGbYM t()x(ui)x[effx]C1k(GkC3Gb)C2kR 標(biāo)準(zhǔn)k標(biāo)準(zhǔn)模型是基于湍流動(dòng)能k和比耗散率輸運(yùn)方程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以認(rèn)為是與kk模型近年來(lái)的不斷改進(jìn)，湍生項(xiàng)已經(jīng)加入到k，方程中，這提高了湍流模擬的精度。湍流動(dòng)能k和比耗散率輸運(yùn)方程如（8），（9）式所示，(k)(ku) k]GY k ()(u) ]GY 幾何模型與邊界圖1大亞灣核電站安全殼幾何模 圖2用于記錄局部流動(dòng)參數(shù)的5個(gè)采用簡(jiǎn)化的大亞灣安全殼模型作為研究對(duì)象，安全殼高度為65m，圓柱半徑為20m，如圖1所示。安全殼空間內(nèi)包含三個(gè)蒸汽發(fā)生器，三個(gè)冷卻74,634m350,648m3。FLUENT采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)為424,879，平均每個(gè)網(wǎng)格單元體積為0.176m3；GASFLOW采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)為31,968，平均每個(gè)網(wǎng)格單元體積為2.3m3。本文以大LOCA事故作為研究序列，破口位置位于蒸汽發(fā)生器冷管段，破口直徑為0.8m。安全殼內(nèi)初始?jí)毫蜏囟确謩e為3bar、450k，空氣與水蒸氣各占50%。氫氣以0.2kg/s的速率由破口注入到安全殼中，總計(jì)算時(shí)間為1000s。由于安全殼內(nèi)水蒸氣濃度造成了一個(gè)氫氣燃燒的惰性環(huán)境，因此在本文中將不考慮氫氣燃燒。同時(shí)，水蒸氣在計(jì)算中處于過(guò)熱狀態(tài)，因此不考慮水蒸氣在安全殼壁上的凝結(jié)。計(jì)算結(jié)果及計(jì)算過(guò)程中該點(diǎn)的速度、各氣體組分濃度、湍流動(dòng)能和耗散率。3P1處氫氣濃度隨時(shí)間變化曲線，分別為標(biāo)準(zhǔn)k模型，RNGk模型和標(biāo)準(zhǔn)k模型由圖3可知，RNGk模型的計(jì)算結(jié)果能夠較好的模擬P1點(diǎn)處氫氣濃度隨時(shí)間的波動(dòng)，k模型沒(méi)能明顯的反映氫氣濃度的波動(dòng)，但是總的濃度增RNGk模型相近；而標(biāo)準(zhǔn)k模型沒(méi)能反映氫氣濃度在該點(diǎn)的波動(dòng)，同時(shí)濃度相對(duì)于前兩者在數(shù)值上4RNGkP1、P2、P3、P4、P5五點(diǎn)處氫氣濃度隨時(shí)間變化的這是因?yàn)镻1點(diǎn)位于蒸汽發(fā)生器室與安全殼上部空間的交界處，氫氣從破口處釋放，首先在蒸汽發(fā)生圖5為1000s時(shí)安全殼中軸面的氫氣濃度場(chǎng)分布，圖5-a、b、c、d分別為FLUENT的標(biāo)k模型、RNGkGASFLOWk5-a、b所反映的氫致蒸汽發(fā)生器室中的氫氣濃度保持在一個(gè)較高的水平；然后氫氣通過(guò)蒸汽發(fā)生器室頂部的開(kāi)口進(jìn)入到abab 3P1點(diǎn)不同湍流模型氫氣濃度隨時(shí)間變化的曲線4RNGk安全殼穹頂，通過(guò)擴(kuò)散在安全殼上部空間形成層狀分布，氫氣濃度由上至下逐漸降低。圖5-c是GASFLOW5-a、b5-c中，至安全殼穹頂，并在穹頂穹頂?shù)臍錃鉂舛让黠@高于安全殼上部的其余空間。圖5-d是GASFLOW中k5-c5-a、 6氣速度場(chǎng)分5-c5-a、b、d有明顯的區(qū)別，相對(duì)而言，模型、RNGkGASFLOWk6-a、b所反映的氫氣分布的趨勢(shì)基本一致，但圖6-b中速度場(chǎng)較為紊亂。圖6-c是GASFLOW中代數(shù)模型的計(jì)算結(jié)果，著蒸汽發(fā)生器上升至安全殼穹頂，并伴隨著加速過(guò)程。通過(guò)比較這四種氫氣速度場(chǎng)分布情況可知，圖6-c與其余圖6-a、b、d有明顯的區(qū)別，相對(duì)而言，其結(jié)果并不理想。由于目前并無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此哪種核電站嚴(yán)重事故下會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，氫氣在安全殼內(nèi)將可能發(fā)生燃燒或，這將嚴(yán)重威FLUENTGASFLOW程序模擬了嚴(yán)重事故下氫氣在安全殼內(nèi)的濃發(fā)生器室頂部的開(kāi)口進(jìn)入安全殼上部空間，由于湍流的作用，氫氣在傳輸過(guò)不斷進(jìn)行質(zhì)量擴(kuò)散和氣在安全殼內(nèi)的傳輸與混合過(guò)程。計(jì)算結(jié)果表明，RNGk好的模擬氫氣的質(zhì)量擴(kuò)散，動(dòng)量擴(kuò)散和湍流特征；FLUENTk模型，標(biāo)準(zhǔn)k模型和GASFLOW中kRNGk模型基本一致的結(jié)果，但是由于湍流而引起的各種參數(shù)的波動(dòng)不能在這三個(gè)模型中得到較好的模擬；GASFLOW中代數(shù)模型沒(méi)能得到題。但是由于湍流機(jī)理和湍流直接數(shù)值模擬的復(fù)雜性，目前對(duì)湍流進(jìn)行直接求解還相當(dāng)，同時(shí)工最為通用的基于雷諾平均和Boussinesq湍流粘性假設(shè)的湍流模型還存在不足。因此，湍流模擬在參考文獻(xiàn)W.Breitung,etc,SOARonFlameAccelerationandDeflagration-to-DetonationTransitioninNuclearSafetyatthegroup’sfinalmeetingatKarlsruhe,August5and6,FLUENT6.0UserGuide,Volume10,FLUENTInc,Lebanon,DecemberJ.R.Travis,J.W.Spore,P.Royl,K.L.Lam,T.L.Wilson,C.Müller,G.A.Necker,B.D.Nichols,andR.Redlinger.GASFLOW:AComputationalFluidDynamicsCodeforGases,AerosolsandCombustion.Volumn1:theoryandcomputationalmodel.FzKandLANL,2001J.R.Travis,J.W.Spore,P.Royl,K.L.Lam,T.L.Wilson,C.Müller,G.A.Necker,B.D.Nichols,andR.Redlinger.GASFLOW:AComputationalFluidDynamicsCodeforGases,AerosolsandCombustion.Volumn2:usermanual.FzKandLANL,2001H.K.Versteeg,W.Malalaskera,AnIntroductiontoComputationalFluidDynamics:theFiniteVolumeMethod,LongmanScientificandTechnical,DavidC.Wilcox,TurbulenceModelingforCFD,DCWIndustry,Inc.AndrewRiddlea,DavidCarruthers,ComparisonsbetweenFLUENTandADMSforatmosphericdispersionmodeling,AtmosphericEnvironment38(2004)1029–1038N.G.Wright,G.J.Easom,Non-lineark–eturbulencemodelresultsforflowoverabuildingatfull-scale,AppliedMathematicalModelling27(2003)1013–1033EffectofturbulencemodelsonsimulationofhydrogentransportinthecontainmentofnuclearpowerntXIAOJian-jun,ZHOUZhi-wei,JINGXing-(InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing,：Hydrogentransportandmixinginthecontainmentarecomplicated,includingmanydifferentkindsofthermalhydraulicphenomena.FiveturbulencemodelsinFLUENTandGASFLOWwereadoptedinpapertoinvestigatehydrogentransportandmixing.CalculationresultsbyFLUENTandGASFLOWwerecomparedinthispaper.TheresultsindicatethatRNGk modelcangetbetterresultsinparameterfluctuation,velocityfield,andhydrogenconcentrationfieldthantheothermodels’results.Theresultsofkmodel,standardmodelinFLUENT,andkmodelinGASFLOWhavethesimilartrendastheresultsofRNGkmodel’sinconcentrationfield.TheresultscalculatedbyalgebraicmodelinGASFLOWhave