常一狄+杜海鸥
摘 要：钠工艺间发生火灾之后针对房间的清洗需要了解火灾发生过程中钠气溶胶在室内的沉积情况，对管道设备的防护也需要了解室内钠气溶胶的沉降。通过建立火灾房间三维模型，划分网格，选择湍流模型通过FLUENT程序对火灾房间在不同通风工况下气体流动特性进行数值计算，对比无热源情况下影响室内气溶胶沉积的因素，为下一步分析室内钠气溶胶沉积状况提供指导。
关键词：钠气溶胶 通风工况 气流特性 沉降 FLUENT
中图分类号：TL36 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0103-03
CEFR使用液态钠作为冷却剂，在一回路冷阱间发生管道破裂出现泄漏产生钠火，金属钠在燃烧过程中产生大量钠气溶胶，其成分主要包括钠的氧化物、钠的氢氧化物以及碳酸盐，钠气溶胶成分复杂，对人体极其有害，并且具有强腐蚀性，对工艺间管道以及设备会造成损害[1]。因此针对事故房间内钠气溶胶沉积情况进行分析。
钠火事故中房间产生大量钠气溶胶，在通风情况下，由于房间换气量达到10次/h[2]，影响钠气溶胶空间分布以及沉积的因素包括有热泳力、湍流曳力、布朗扩散、重力沉降、惯性沉降等[3]。通风工况下房间内流场比较复杂，根据钠气溶胶成分分析，其质量密度远远大于空气密度，而它空间分布的体积分数较低。针对火灾产生钠气溶胶在气体流场中的流动沉降数值分析中，需要知道气体流场的流动特征、温度场特点，并对影响钠气溶胶颗粒的空间分布以及颗粒沉降的因素进行进一步分析。
1 流场模型
1.1 气体相流动方程
室内设备复杂，存在正常通风以及事故排烟通风2种通风工况，通过之前很多实验研究分析，在此类通风工况下，房间内的流场分析采用RNGκ-ε模型与实验的拟合度比较高。
1.2 颗粒相受力分析
颗粒受力微分平衡方程（颗粒惯性=作用在颗粒上各种力）为：
式中，右边第一项为单位质量颗粒所受到的阻力，相对雷诺数，，第二项为重力项。其中u为流体速度，m/s；up为颗粒速度，m/s；gx为外力对颗粒加速度，m/s2；ρp为颗粒密度，kg/m3；dp为颗粒直径；Fa为作用在颗粒上的其他附加力；Fx为在某些情况下其他的一些重要作用力。一般来说，这些力包含有热泳力、质量力、由压力梯度产生的作用力、Basset力、布朗力等。其中热泳指的是悬浮在具有温度梯度的气体流场中的颗粒，受到了与温度梯度相反的作用力。在该次计算过程中，室内温度场变化较大，故需考虑。其表达式为：
其中，DT，p为热泳系数。
当假定钠火燃烧生成气溶胶按照一定的速率从热源面释放出来，通过颗粒受力方程观察得到，温度、颗粒的粒径以及流场流速对其运动影响较大。而在该次分析过程中，由于燃烧放热、温度梯度较大，以及颗粒物粒径变化，所以在此分析温度场流场以及粒径对颗粒物沉降的影响。
1.3 房间模型建立
事故房间的示意图如图1所示。
网格划分运用ICEM程序进行划分，采用四面体网格划分，获取非结构体网格。由于在风量进出口存在速度梯度较大、发热面处的温度场梯度问题，需要提高计算精度，对这些区域的网格进行加密。
正常通风进口处设置为速度入口，根据工程设置房间换气量要求得到入口速度为2.7 m/s，空气为20 ℃，正常通风出口为质量出口，事故排烟口为压力出口，发热面释放热量为20 kW/m2，边界为无滑移边界，墙壁温度初始值均为20 ℃。由于房间内燃烧过程放出大量的热，流体温度变化较大，其物性参数设置为逐段线性。
2 模拟结果以及分析
2.1 流场分析
仿真计算最后得到房间内在正常通排风以及事故排风下室内的流场分布图，如图2、图3所示。
图2、图3给出了在右下进风左上排风模式下的室内正常通风以及发生火灾事故下中心切面上的气体流场分析，在正常通排风流场中（图2），在右下侧的进风口处速度较大，上部的排风口附近流场也与实际较一致，其流场特征比较明显。同时，房间内流场稳定，只有在冷阱设备与墙壁的接近处，呈现出湍流现象。由此分析在此区域内，小颗粒的钠气溶胶粒子可能不能像大颗粒一样通过重力沉降而沉积在该区域。在事故排烟流场（图3）中，底部存在一个燃烧热源，由于钠燃烧热量比较大，明显看出房间中央流场呈现出热对流流动，即为主要受到热泳力的影响。通风仅仅对靠近通风墙壁处流场有扰动。在经典实验[3]通过流场模拟气溶胶颗粒的沉降中得到当气溶胶颗粒粒径小于5 μm时，受到气流扰动以及温度场作用较大，而当颗粒粒径大于5 μm时，主要受到重力沉降而沉积下去。该结论与上述流场分析而得到的结论相一致。
2.2 温度场分析
在不同的通風模式下当房间发生钠火事故，室内温度场的分布如图4所示。
在通过正常通风系统右下进气，左上排气情况下，其中心纵切面x=2.5 m处温度场如左图，高度1 m平面处温度场如右图所示。左图中温度场随着高度出现分层现象，由于房间尺寸较大、热源处温度较大，中心浮升力起到较大作用，热气流上升、冷气流下降，并出现绕x方向的环流，故此房间内温度出现左图所示中间温度略低，而上部温度高于中间的分布。而在右图中，由于入口风速影响，明显出现进气口附近气流温度较低，温度场呈现从右向左的增大。
在事故排风左下侧进风，左上排风情况下，温度场如图5所示。
在图5中发现温度场受到通排风口位置的影响出现了明显的变化，与正常通风下的温度场变化区别较明显，室内空间横切面上温度场分布明显受到浮升对流影响，只有在水平分布上受到进气流影响较大。
综上分析得到，在钠火燃烧过程中，工艺间的温度梯度较大，其热泳力对于钠气溶胶颗粒的影响较大，不可忽略，同时针对房间内的通风模式会对流场的分布有影响，造成房间内流场会出现局部湍流，并对不同粒径钠气溶胶沉积位置产生较大影响。
钠气溶胶其性质跟普通气溶胶不同，成分复杂，SUMMARY OF HEDL SODIUM FIRE TERTS中给出了钠火事故中钠气溶胶成分分析[4]，根据其结论，计算得到钠气溶胶等价密度为2 600 kg/m3。其粒径分布函数经试验测定为服从对数型正态分布[5]，分布函数为：
其中：r为气溶胶粒子的半径；rg（t）为气溶胶粒子数量中值半径；为气溶胶粒子尺寸标准偏差。由于钠气溶胶颗粒性质多变，且在生成过程中发生凝集作用，小颗粒份额减少，因此在计算实验过程中仅考虑部分特征粒径的颗粒进行追踪分析。在文献3的实验结论中，无热源情况下，针对钠气溶胶颗粒物粒径选取0.5 μm、1.5 μm、2.5 μm、5.0 μm这4种粒径的颗粒物进行追踪。结论是沉降份额随着粒径变大，沉积更快，份额更多。当有热源存在时，特别是这种火灾发热量大的状况下，温度梯度对小颗粒物影响更大。此实验数据与上文中通过流场分析得到的结论较为一致。
3 结论
通过上述分析，得到影响钠气溶胶在火灾通风房间内的沉降因素结论如下。
（1）在各种送风工况下，由于金属钠的燃烧，房间内出现较好的温度梯度，热泳力对钠气溶胶颗粒的影响较大，不可忽略。
（2）由于通风模式的不同，影响室内气流的流动，室内气流同时受到浮升力以及强迫对流的影响。对于钠气溶胶颗粒而言，其在房间角落会受到湍流影响，只有大颗粒会出现部分沉降，小颗粒受到热泳力以及流场作用力会长时间漂浮在空中。
（3）粒径大于5 μm的钠气溶胶颗粒受到重力沉降作用更加明显，更容易在复杂流场中沉降下去。小粒径的颗粒物受到热泳力作用不可以忽略，在流场阻力以及其他作用力下行为更复杂。因此针对钠气溶胶复杂的物化特性需要对其进一步研究，为之后钠火事故中钠气溶胶在室内沉降分布实验提供参考。
参考文献
[1] Susumu KITANI，Hiroshi MATSUI，Seiichiro UNO.Behavior of Sodium Oxide Aerosol in a Closed Chamber[J].Journal of Nuclear Science and Technology，1973，10（9）：566-573.
[2] 中国原子能科学研究院快堆设计研究所.中国实验快堆最终安全分析报告[Z].内部资料，2008.
[3] Lu W，Howarth A T，Adam N，et al.Modeling and measurement of airflow and aerosol particle distribution in a ventilated two-zone chamber[J].Building and Environment，1996，31（5）：417-423.
[4] J.D. McCormack，R.K. Hilliard，A.K. Postma.SUMMARY OF HEDL SODIUM FIRE TERTS AND COMPARISON WITH COMPUTER CODES [R].American Nuclear Society International Meeting Fast Reactor Safety Technology，1979.
[5] 孙大杰，张東辉，任丽霞，等.钠气溶胶粒子在事故通风管道中的沉降研究[J].核动力工程，2014（6）：172-175.
