多流道微流体惯性冲击器过滤性能的模拟计算

王仕集， 牛风雷， 张 薇

(华北电力大学 核科学与工程学院，北京 102206)

0 引 言

液体或固体小颗粒悬浮于气体中形成的两相或多相体系称气溶胶[1]。核电厂事故工况会导致其安全壳内部空间放射性气溶胶粒子浓度升高。为了防止核电厂周围环境放射性水平超标，当前国内外核电厂中用于气溶胶过滤的设备主要有高效空气过滤器、文丘里洗涤塔、砾石床过滤器、碘吸附器等[2]。其中部分过滤装置主要过滤部件为网状结构，气溶胶颗粒吸附于网状结构上会增大压降，从而减小泄压速率，对核电厂安全造成威胁。微流体惯性冲击器利用惯性原理将气溶胶中的粒子与空气分离，其克服颗粒尺寸的影响，气流通道直径可高达气溶胶颗粒直径的三个数量级，收集的颗粒不堵塞气流流动，收集粒子的同时不影响泄压速率[3，4]。

已有研究验证单流道惯性冲击器的过滤效率与转折角、截面长度、管长和气流速度等相关[5],其利用FLUENT软件仅对单流道微流体惯性冲击器内的流场和粒子运动轨迹进行了数值模拟，分析了不同气体流速与气溶胶粒子粒径对过滤器过滤效率的影响，而实际使用时则需要多流道才能提高核电厂安全壳泄压速率。因此需对多流道惯性冲击器的过滤性能进行测试，并探究影响多流道惯性冲击器过滤效率的主要因素及其应用可行性。

考虑到核电厂内放射性气溶胶粒子的成分，选用密度为4 500 kg/m3的硫酸钡为放射性气溶胶粒子材料[6]，以粒径在0.5～7.0 μm的粒子作为过滤对象，通过 FLUENT模拟多流道惯性冲击器内的空气流场，并利用DPM模型模拟计算粒子轨迹并得出过滤效率。通过不同类型的DPM离散相壁面边界条件探究多流道惯性冲击器的主要过滤面及过滤效率影响因素。

1 计算模型

多流道惯性冲击器装配关系图如图1所示。主要共包含三部分：上部分入口圆筒由上，下部分形状分别为中空的倒圆锥体和圆环组成，入口直径为15 mm；中间部分由两片304不锈钢金属片组合成126个流道(其剖面图见图2)；下部分为出口圆筒，结构与上部入口圆筒相同。多流道惯性冲击器剖面图见图2。WALL1为入口圆筒内壁面；WALL2为中部126个流道的内壁面；WALL3为出口圆筒内壁面。B1，B3分别为多流道之间的上，下实体部分面。考虑到单流道惯性微流体惯性冲击器的过滤效率，根据文献[7]选择单流道入口直径为1 mm,半流道长度为4 mm,转折角为110°。

图1 多流道微流体惯性冲击器装配图及装配体剖面图Fig.1 Multi-channel microfluidic inertial impactor assembly drawing and assembly section profile

图2 过滤流道剖面图Fig.2 Multi-channel section profile

2 计算方法

核电厂安全壳内气溶胶粒径是微米级别的尺寸，采用秦山二期安全壳内1 g/m3的气溶胶浓度作为计算气溶胶粒子质量流量的依据[8]。根据惯性过滤原理，当主流流体流动方向发生改变时，悬浮于其中质量较小的粒子则随主流流体一起流出惯性冲击器，而质量较大的粒子由于惯性继续保持原运动方向，从而撞击壁面而被收集[3]。

2.1 粒子轨迹计算

以美国 SURRY 核电厂的 AB 事故(热管段大破口失水事故叠加全场断电事故)和 S2CD 事故(冷管段小破口叠加应急堆芯冷却系统和安全壳喷淋失效事故，但安全壳安全系统正常运行)作为参照事故，安全壳内气溶胶粒子的中位粒径范围为2～3.96 μm[6]。

由于气溶胶粒子粒径为微米量级，且其体积分数较小，假定粒子的运动对流场不造成扰动，并认为粒子流速与空气流速相同，则粒子运动的无量纲方程为[9]

(1)

(2)

(3)

由于气溶胶中的粒子粒径是微米量级，作为离散相，当浓度为1 g/m3时其体积分数小于10%，因此可采用FLUENT中离散相模拟其轨迹。通过积分拉式坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相粒子的轨道。笛卡尔坐标系下粒子所受的作用力平衡方程为[10]

(4)

(5)

(6)

式中:up,vp,wp分别表示气溶胶粒子在x,y,z三个方向的运动速度；ρp为粒子密度,ρg为空气密度;μ为空气动力粘度；FD(u-up)为颗粒的单位质量曳力；Fx表示其他作用力，考虑气溶胶粒子粒径及其运动状况，Fx包含重力，压力梯度力以及萨夫曼升力。流动状态为湍流时采用粒子随机轨道跟踪方法通过式(4)～(6)来计算粒子轨道。

2.2 边界条件设置

(1)连续相

入口处空气流速分别取V=1 m/s,2 m/s,3 m/s,4 m/s,5 m/s;并设置为速度入口边界。出口设置为101 325 Pa压力出口。1 m/s与2 m/s流速下流动状态为层流，其余流速均为湍流状态，控制方程选取二阶迎风的离散格式，标准k-ε湍流模型、压力-速度耦合的SIMPLE算法，求解器采用隐式、定常求解。

(2)离散相

在FLUENT离散相模型边界中，壁面边界Escape(逃逸)表示粒子穿过壁面继续运动，用于入口与出口处；壁面边界Trap(捕获)表示粒子碰撞到壁面即被收集，并考虑粒子的沉积作用；Reflect(反弹)边界则表示粒子撞击壁面后即被反弹，壁面切向反弹系数εT及法向反弹系数εN分别为

εT=0.998-0.029α+6.43×

10-4α2-3.56×10-6α3

(7)

εN=0.993-0.0307α+4.75×

10-4α2-2.61×10-6α3

(8)

本文模拟计算A,B两种不同离散相壁面边界设置情况下多流道微流体惯性冲击器的过滤效率。A型离散相壁面边界表示多流道惯性冲击器装配体内壁面均为粒子捕获面；B型则表示只有中部多流道惯性冲击器部分的内壁面有粒子捕获功能，其余内壁面为粒子反弹面。离散相边界条件设置见表1所示。

表1 壁面离散相边界条件

Tab.1 Discrete phase boundary conditions of wall surfaces

壁面离散相壁面边界ABInletEscapeEscapeWall1TrapReflectB1TrapReflectWall2TrapTrapB2TrapReflectWall3TrapReflectOutletEscapeEscape

由于气溶胶粒子浓度为1 g/m3，不同流速下气溶胶粒子的质量流量见表2所示。

表2 不同流速下气溶胶粒子质量流量

通过追踪不同空气流速下粒径dp为0.5～7.0 μm的气溶胶粒子，可以得到多流道惯性冲击器过滤效率η

3 结果及分析

3.1 层流状态下粒子轨迹

当入口流速分别为1 m/s与2 m/s，流动状态是层流， A类离散相边界下1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm粒径气溶胶粒子轨迹图3所示。

图3 A型边界流速为1 m/s的粒子轨迹图Fig.3 Particle trajectory of type A boundary with velocity 1 m/s

图3粒子轨迹图表明层流状态下气溶胶粒子逃逸数量随粒径的增大而减小；随着粒径的增大，在中部多流道惯性冲击器内壁面被收集的离子数增多；粒径为4 μm的大部分粒子轨迹在多流道惯性冲击器中部终止。其余粒径粒子轨迹变化规律与图3相同；流速为2 m/s时变化规律与1 m/s时相同。

B类离散相边界下只有中部多流道惯性冲击器内壁面可以捕获气溶胶粒子，1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm粒径气溶胶粒子轨迹图4所示。

图4 B型边界流速为1 m/s的粒子轨迹图Fig.4 Particle trajectory of type B boundary with velocity 1 m/s

由图4可看出，B型边界粒子轨迹变化规律与A型相同；此外，相同流速与相同粒径条件下，B型边界出口逃逸粒子数大于A型边界，主要原因是出口圆筒内壁面上方将撞击此处的粒子反弹，粒子随空气从出口逃逸。

3.2 湍流状态下粒子轨迹

流速3 m/s, 4 m/s, 5 m/s时流动状态为湍流，根据模拟计算结果，A,B两种边界湍流情况下粒子轨迹变化规律与其层流状态相同，而湍流状态下由于气流漩涡数量增多，粒子轨迹较层流更为紊乱,同流速同粒径下逃逸的粒子数较层流状态更少。

3.3 过滤效率

根据壁面收集的离子数与从入口处追踪的粒子总数之比可得多流道惯性冲击器的过滤效率，A，B两种离散相边界下不同流速，不同粒径气溶胶粒子的过滤效率分别如图5、图6所示。

图5 A型边界下多流道惯性冲击器过滤效率Fig.5 Multi-channel inertial impactor filtration efficiency under A-type boundary

图6 B型边界下多流道惯性冲击器过滤效率Fig.6 Multi-channel inertial impactor filtration efficiency under B-type boundary

由过滤效率曲线可看出，当粒子粒径小于4 μm时，A类型边界对气溶胶粒子的过滤效率明显高于B类型；粒径大于4 μm时，两种类型边界下过滤效率差别很小，且过滤效率均高于90%。两种类型边界下不同流速，不同粒径气溶胶粒子的过滤效率曲线变化趋势均与文献[5]中单流道的过滤效率曲线变化趋势相符，即单流道与多流道的过滤效率均随粒子粒径与入口流速的增大而增大。由于多流道微流体惯性冲击器入口直径为单流道的15倍，实际应用中可提高安全壳泄压速度。

4 结 论

通过FLUENT模拟微流体惯性冲击器内部流场，利用离散相模型模拟层流与湍流状态下两种不同类型离散相边界下的过滤效率曲线，得出以下结论：

(1)湍流与层流流动状态下多流道微流体惯性冲击器对气溶胶粒子的过滤效率随粒子粒径及流动速度的增大而增大。

(2)多流道惯性冲击器模型可针对严重事故下中位粒径为2～3.96 μm的气溶胶粒子进行过滤，当流速达到2 m/s及以上时过滤效率可高于90%；气溶胶粒子粒径小于4 μm时入口圆筒底面与出口圆筒内壁面可促进粒子过滤效率升高；

(3)实际应用中多流道微流体惯性冲击器较单流道惯性冲击器可以明显提高安全壳泄压速度；其出口圆筒的长度可以缩短至现有长度的1/2，从而减小冲击器的整体尺寸。