01 研究背景

福島核電站事故是由于地震海嘯的影響，燃料棒未能及時(shí)冷卻，導(dǎo)致鋯合金與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氫氣，發(fā)生氫氣爆炸事故破壞了安全殼，最終導(dǎo)致核泄漏。核安全專(zhuān)家在探討氫氣爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn)以及在核電站嚴(yán)重事故中緩解該風(fēng)險(xiǎn)的措施上投入了大量精力?；跉錃庠诎踩珰?nèi)行為的研究，本研究旨在使用基于CFD通用仿真軟件研究在安全殼頂部存在垂直氣體噴泉時(shí)出現(xiàn)的氣體分層破裂現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果不僅分析了安全殼內(nèi)氣體的流場(chǎng)和密度分布，而且還研究了CFD通用仿真軟件在計(jì)算多組分氣體流量中的準(zhǔn)確性。

02 方法介紹

1. 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)的裝置為高度為1.29m、底部為邊長(zhǎng)為0.92m的正方形透明容器，如圖1所示。在底部的中心有一個(gè)直徑為0.02m的垂直進(jìn)風(fēng)口，在靠近盒子底部的壁面上有一個(gè)0.06m高的開(kāi)口作為出口。

2. 幾何模型

幾何模型使用了實(shí)驗(yàn)裝置的縮小尺寸以節(jié)省計(jì)算資源：邊長(zhǎng)減半，面積1/4，體積1/8。在入口邊界上的單元設(shè)置源項(xiàng)，由于氦氣與氫氣密度基本相同且更安全，因此使用氦氣模擬氫氣。通過(guò)用戶(hù)自定義函數(shù)添加初始氦氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程（總質(zhì)量方程守恒）：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將不同空氣注入速度引起的分層破壞效應(yīng)分為三個(gè)狀態(tài)。當(dāng)速度較小時(shí)，氣體混合物中分子擴(kuò)散占主導(dǎo)地位。隨著速度的增加，浮力在氣體混合中占主導(dǎo)地位，分層區(qū)向上推進(jìn)（Fr<1）。如果速度持續(xù)增加，注入的空氣將到達(dá)頂部，并將直接打破分層帶（Fr=2）。在這種情況下，動(dòng)量在氣體的混合物中占主導(dǎo)地位。模型計(jì)算選擇的Fr數(shù)最終為1.09，目的是為了驗(yàn)證CFD通用仿真軟件模擬三種影響分層的主導(dǎo)因素（自由擴(kuò)散、浮力和動(dòng)量）下的能力。

03 案例分析

主要研究目的是氣體分層后空氣噴泉對(duì)分層破壞的影響，所以選擇氦氣停止注入的時(shí)刻（t=300s）作為模擬的起始時(shí)間點(diǎn)。

1. 分子擴(kuò)散狀態(tài)：無(wú)空氣注入

在無(wú)空氣注入的情況下，容器內(nèi)不同高度（z方向，單位m）的氣體密度（相對(duì)密度，無(wú)量綱化，縱坐標(biāo)值越大說(shuō)明氦氣含量越高）隨時(shí)間變化過(guò)程：

結(jié)果表明，接近頂部的三個(gè)位置的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。在一開(kāi)始，上層混合氣體的密度非常小，這說(shuō)明氦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很大，所以擴(kuò)散過(guò)程非常快。但隨著擴(kuò)散的繼續(xù)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的梯度變小，最終穩(wěn)定下來(lái)?？拷撞康娜齻€(gè)位置的過(guò)程與上述位置相反，密度下降。下層三條曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同，但與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的偏差大于上層。計(jì)算結(jié)果與后期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比皆偏大，說(shuō)明氦的總質(zhì)量略大于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這可能是因?yàn)樵跀?shù)值計(jì)算中沒(méi)有氣體泄漏。

2. 分子擴(kuò)散狀態(tài)：空氣注入

因?yàn)闀r(shí)間步長(zhǎng)選擇0.1s時(shí)，網(wǎng)格粗細(xì)對(duì)結(jié)果有振蕩的影響，因此為了避免振蕩，選擇最細(xì)的網(wǎng)格?？諝庾⑷霑r(shí)間為360~660s。

• 階段一：t=300~360s

在這個(gè)階段，空氣還沒(méi)注入，系統(tǒng)處于自由擴(kuò)散狀態(tài)；

• 階段二：t=360~362s

空氣注入的前兩秒期間（v=2.803m/s），高速的空氣直接流入盒子的頂部（較高的位置相對(duì)密度瞬間大幅度下降，速度分布見(jiàn)FIGURE 6）；

• 階段三：t=362~660s

空氣噴泉在z=0.85m高處形成上下兩個(gè)漩渦（FIGURE 7）：上渦流將高密度的氣體從下部夾帶入上部，從而導(dǎo)致上部區(qū)域的密度增加；下渦流將低密度氣體從上部帶入下部，從而導(dǎo)致下部區(qū)域密度增加。

• 階段四：t=660~1200s，自由擴(kuò)散過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，氣體分布逐漸平衡，分層重新出現(xiàn)。

04 研究結(jié)論

本文利用CFD通用仿真方法對(duì)空氣噴泉實(shí)驗(yàn)中的氣體分層破壞現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值研究。數(shù)值研究包括初始條件的驗(yàn)證（自由擴(kuò)散狀態(tài)）、時(shí)間步長(zhǎng)的靈敏度試驗(yàn)、網(wǎng)格尺寸的靈敏度試驗(yàn)和空氣噴泉試驗(yàn)的最終數(shù)值計(jì)算。對(duì)初始條件的數(shù)值模擬表明了氣體分層現(xiàn)象的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果驗(yàn)證了CFD通用仿真軟件中的浮力驅(qū)動(dòng)流模型和混合氣體模型，為后續(xù)計(jì)算奠定了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)網(wǎng)格尺寸靈敏度試驗(yàn)，得到了數(shù)值模擬的最佳參數(shù)和網(wǎng)格。最終計(jì)算結(jié)果顯示了空氣噴泉?dú)怏w分層破壞現(xiàn)象的過(guò)程。一開(kāi)始，空氣直接注入到氣體分層區(qū)。注入后，流動(dòng)由浮力和分子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)。6個(gè)位置的密度的最大相對(duì)誤差均小于3%，同時(shí)也驗(yàn)證了CFD通用仿真軟件在模擬類(lèi)似現(xiàn)象上的準(zhǔn)確性。

格物云CAE

一款國(guó)產(chǎn)可控云端仿真平臺(tái)，結(jié)構(gòu)、流體、水動(dòng)力仿真軟件場(chǎng)景化模塊化，支持多格式網(wǎng)格導(dǎo)入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計(jì)算，降低CAE使用門(mén)檻，拓展CAE應(yīng)用范圍，加速工業(yè)企業(yè)研發(fā)制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型。平臺(tái)支持云端CAE仿真生成工業(yè)APP，構(gòu)建完全交互式仿真社區(qū)，快速實(shí)現(xiàn)行業(yè)通用經(jīng)驗(yàn)軟件化。

一鍵登錄，開(kāi)啟仿真！

https://cae365.yuansuan.com

更多資訊可登錄格物CAE官方網(wǎng)站

https://cae.yuansuan.cn/

或關(guān)注微信公眾號(hào)【遠(yuǎn)算云仿真】

遠(yuǎn)算在bilibili、頭條、知乎、技術(shù)鄰定期發(fā)布課程視頻等內(nèi)容

敬請(qǐng)關(guān)注