基于航空发动机的污染压制装置数值模拟

王 亮，范 强，周 瑾

(96879部队， 陕西 宝鸡 721012)

基于航空发动机的污染压制装置数值模拟

王 亮，范 强，周 瑾

(96879部队， 陕西 宝鸡 721012)

现有污染压制装备存在作业距离太近，无法满足大面积污染压制的需求；通过仿真计算研究工质与燃气流的掺混机理，得到了使用压制去污剂时的作业范围和效果，探寻了航空发动机应用于污染压制装备的可行性。

航空发动机； 核事故应急；数值模拟

1 研究背景

在核事故发生后，空气中的气溶胶会迅速扩散到很大的区域[1]，目前国内配备的压制去污剂喷洒车，有效射程只有三十多米[2]，不仅效率较低，而且操作人员需跟随进入污染区域作业，处置人员生命安全无法得到保障。

国内压制装备全部由消防装备改造，主要是利用泵作为动力源进行压制去污剂的喷洒作业。根据实际作业情况来看，对于小面积污染压制有一定的效果，一旦污染面积增大，就存在作业效率低下的问题。对于这一问题的解决方案现在主要集中在增大泵的功率、增加喷洒高度上，这一方案在一定程度上可以解决问题，但成本过于高昂。目前，航空发动机已大量运用于发烟机装置上，其工作原理与目前的压制去污作业相近，同时价格低廉[3]。如果能用航空发动机喷射的高速气流将压制去污剂带到更大范围的区域，就能有效改善污染压制作业现存的这一难题。

压制去污剂的物理性质与发烟机常用的烟雾油有较大差异，密度和粘度等参数都有明显增大，航空发动机经过改装，作业范围有多大，是否能达到压制所需的技术要求，尚不清楚。本文对工质与燃气流的掺混机理进行仿真计算，探寻航空发动机在核事故应急处置中运用的可行性。

2 工质与燃气流的掺混机理

2.1 基本模型

喷口伸入套筒部分的尺寸为：0.16 m(宽，X方向)×0.51 m(高，Y方向)，套筒尺寸：1.07 m(宽，X方向)×0.6 m(高，Y方向)。喷口从套筒左侧边缘伸入，两部分中心轴重合。距套筒左侧边缘0.265 m处上下各有一工质注入口，宽0.003 m，高0.02 m，其基本结构如图1所示。工作区域为套筒右边缘外侧长200 m，高50 m的区域，下部为地面，设置为wall，其他三面自由流动，不进行设置。

图1 结构示意图

采用考虑组分扩散的二维非定常N-S方程，采用隐式算法，时间计算采用二阶隐式方法，黏性采用k-ε两方程湍流模型，空气密度ρ=1.225 kg/m3，比热Cp=1 006.43 J/(kg·K)，热传导系数λ=0.024 2 W/(m·K)，黏性系数μ=1.789 4×10-5kg/(m·s-1)，工质密度ρ=998.2 kg/m3，比热Cp=4 182 J/(kg·K)，热传导系数λ=0.6 W/(m·K)，粘性系数μ=1.003×10-3kg/(m·s)。

2.2 浓度计算

套筒放于地面，轴线平行于地面，喷口喷射速度为2 000 m/s，两个工质出口工作效率为0.6 kg/s。

图2为不同时间空气的流动情况。

为便于分析，以t=60 s为例，导出速度矢量图，如图3。

可以看出气体在工作区域形成了两个涡流，中心分别距套筒右边界60 m和150 m，高度距地面27 m和34 m。对其他时间的空气速度矢量图进行分析，可以得到空气在喷出套筒后的流动情况：气体刚从套筒中喷出时，沿地面向前高速运动，由于下方为地面，受自身扩散影响，形成向上方扩散的趋势。逐渐形成两至三个较大的涡流，涡流随时间不断增强，互相合并形成一到两个更大的涡流。在工作区域内，气体一直处于动态平衡，各点的气体速度和流向规律都不一样，无法得出有用的结论。但在整体上，多数区域空气流速差别不大，涡流中心的移动在局部会有一定差异。

图2 空气流动情况

图3 t=60 s时速度矢量图

图4给出了不同时间工质的流动情况。

工质初始速度较小，主要被空气带动向外喷出，在运动的初期，速度明显较空气速度要小得多，扩散也较空气要慢，随着时间逐渐接近空气流动速度，其运动轨迹也与空气的一致，沿着空气形成的涡流扩散。在流动速度上，与空气相比，速度要低一个数量级，整体速度变化与空气相比，有一定时间的滞后。

在喷洒作业时，表现为洗消去污剂从套筒中喷洒出来，在距喷口60 m、150 m处向上方扩散，沿着两个空气涡流散布到整个工作区域中。

图4 工质流动情况

图5为工质在工作区域的组分占比情况。

通过图5可以看出，工质的扩散是从套筒出口处开始，从近至远，沿着空气形成的涡流逐渐分布到整个工作区域，随着工作时间的增长，逐步均匀分布，在部分区域可能占比较大，主要是因为自身扩散所致，对整体影响不大。在前期，工质随空气扩散，在工作区域内分布不均匀，但一分钟内，工质就扩散到整个工作区域。之后随时间增加，工质在工作区域内的占比不断上升。在局部地区，工质可能分布不均匀，部分区域工质较为集中，但这一现象是因为涡流的气体流动不均匀引起的，工质集中的区域也不断变化，并没有特定区域工质堆积严重的现象。

图5 工质组分占比

图6 工质占比图

以上这组图(如图6)可以直观的看出工质在不同距离上的组分占比情况，在120 s内工质所占体积分数在绝大多数区域超过1‰，在180 s内工质所占体积分数在绝大多数区域超过5‰

3 结论

工质在被空气带出喷口之后，随空气扩散到整个工作区域，其运动规律与空气流动规律相近，开始随空气形成的数个小涡流扩散，在涡流增强合并后在更大范围内扩散，在60 s内就可以均匀分布到整个工作区域，并随工质时间增加，在工作区域内的占比逐渐增大。通过计算，设计的装置在进行洗消作业时能在120 s内让工质散布到200 m远，50 m高的区域内，工质所占体积分数在绝大多数区域超过1‰，在180 s内工质所占体积分数在绝大多数区域超过5‰，能够满足污染压制相关要求[4]。

[1] 张建岗，姚仁太.福岛核事故对中国的影响及应急经验[J].辐射防护,2012,32(6)：362-372.

[2] 丁立虎.反应型压制去污剂喷洒车训练教材[M].北京：火箭军司令部出版社,2016.

[3] 潘宁民.发烟机动力装置发展趋势[J].航空发动机,1999(3)：59-62.

[4] HJ/T61—2001,辐射环境监测技术规范[S].2001.

(责任编辑周江川)

NumericalSimulationofPollutionSuppressionDeviceBasedonAeroengine

WANG Liang, FAN Qiang, ZHOU Jin

(The No.96879thTroop of PLA, Baoji 721012, China)

The existing pollution suppression equipment in China has a problem of short working distance to meet the demand of massive pollution suppression. In order to solve the problem, in this article, the mixing mechanism of working fluid and gas flow is studied by simulation, and the range and effect of using detergent were obtained, and the feasibility of applying aeroengine to pollution suppression equipment is explored.

aeroengine; nuclear accident emergency; numerical simulation

2017-05-11；

2017-07-30

王亮(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事核事故应急研究。

装备理论与装备技术

10.11809/scbgxb2017.11.018

本文引用格式：王亮，范强，周瑾.基于航空发动机的污染压制装置数值模拟[J].兵器装备工程学报，2017(11):81-84.

formatWANG Liang, FAN Qiang, ZHOU Jin.Numerical Simulation of Pollution Suppression Device Based on Aeroengine[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):81-84.

TJ417

A

2096-2304(2017)11-0081-04