核空气净化系统过滤小室内气流均匀性的模拟分析杨俊，江锋，叶王遂生（清华大学核能技术设计研宄院，北京100084）基金项目：国家“八六三”高技术项目（863-514-）2）t文摘：介绍了核空气净化系统过滤器小室流场模拟的基本方法，其中过滤器用多孔介质模拟，并简单介绍了多孔介质流体流动的基本特性和运动方程。对于模拟过程中所采用的参数和方法的选择给予分析比较，从而得到了比较符合实际气流分布的紊流模型、多孔介质参数C，并利用该方法分析了有3台过滤器的小室不同长度下的气流均匀性，小室长度越长，气流不均匀度越小，气流越均匀，并得出了符合气流均匀性要求的小室最小长度。

　　941：A在核空气净化系统的研究中，考察过滤器小室内部气流的均匀性是很重要的内容。为此，我们进行了2/3大小的模型实验，但实验部分只解决了一定结构下的模型流场均匀性分析，对于其余结构（包括不同长度和不同过滤器个数的过滤器小室）不可能都用实验解决。数值模拟是替代实验方法的最佳途径考虑到数值解三维流场的复杂性，使用了软件PHOENICS进行流场计算根据实验提供的数据，过滤小室进出口风道R=0. 170m，运动粘度v= 1.47<10-5m2/s，流速V=10.5m/s，可以算出过滤小室进、出风管内的流动的1.2（10s；如果是以小室断面的湿周半径r=计算，1.2<1d！毫无疑问，小室内的流场为紊流场。对于不可压缩流体紊流流动，根据有关的基本物理原理（质量守恒、动量和能量守恒）可以推导出一些可以描述其运动状态的微分方程这些方程的个数小于变量的个数，不能直接解，因而需要添加一些假设的各变量之间的关系，这就是紊流模型过滤器小室内的流动和一般的流体流动的区别在于此流场内存在过滤器，在过滤器里的气流流动不能简单地用一般的流体流动方程描述在模拟中，将过滤器简化为多孔介质处理渗透率K是描述多孔介质性质的一个关键参数，其定义为单位压差下，单位粘度的流体经过单位体积时的流速它表征在外加压力梯度的作用下一种流体通过多孔介质的容易程度。对于通过多孔介质的恒定不可压缩层流流动，可以用Darcy定律描述为该点所对应的流速对于紊流流动，必须添加一项惯性项，可以得密度；IV是速度矢量的模。

　　这里要说明的一点是，由于多孔介质内部结构随机性导致了其内部流体的随机性，这里使用的速度和压力，在多孔介质流动里均是一定体积内的平均值，而在纯流体流动中它们都是某点的平均值或实际值2模拟过程及结果分析2.1紊流模型的选择迄今为止，在计算流体力学中，没有一种紊流模型可以完全有效地描述所有的紊流流动，所以选择适合的紊流模型是模拟成败的关键之一，这也是为什么现在有几百种紊流模型的原因。

　　PHOENICS中给出了几种紊流模型的选择在模拟没安厉滤器的过滤小室内气流时对不同的Rng和Chen的模型均过高地描述了中间过滤器处的流速，而Ko的模型又过低地描述了中间过滤器处的流速相比之下，标准kX莫型的模拟结果在整体上最接近实测值。这说明对于我们要模拟的小室，标准kX莫型是适用的，因此，在以后的模拟中，我们均采用此紊流模型。

　　2.2过滤器模拟参数的选定经计算，过滤器中的气流是紊流，但由于使用的软件性质的限制，只能用Darcy定律去模拟在动。用实际测量的参数代入定义公式，可以粗略求得300实际的模拟结果表明，这并不能达到最佳的模拟效果，不同C的模拟结果对比见由图中可以看出，相对而言，C=50时达到最佳的模拟效果。在以后对实验台的模拟过程中，均采用这个值描述HEPA过滤器。

　　模拟得到的C值与估计值不同，其主要原因有两个，一方面用描述多孔介质层流流动的Darcy定律去模拟多孔介质紊流流动，本身就有误差。对比式（1）和式（2），在相同的压降下，用式（1）求C，必然会比实际际值大另1方面滤器要C比单纯多多孔介质复杂得多，后者仅仅是前者的一个简化，计算值所依赖的数据也是很粗糙的。要严格地确定过滤器的流体流动参数，要用专门的实验台测量。所以，C的估算值只能用来确定C的大致范围，实际模拟中仍须模拟C的值3模拟结果和实验对比给出了4m长的过滤小室模拟的和实验的流场分布结果从整体上而言，模拟的趋势符合实验的结果从具体的分布来看，对通过中间过滤器的流动模拟比较符合，两者的分布曲线局部几乎重合；通过上面过滤器的最大流速是大致正确的，虽然具体的分布方式有些区别，但从上向下（在图中是从左至右）流速逐渐加的趋势是正确的；对于下侧的过滤器，最大点有一些偏差，但整体趋势也是准确的另外，模拟和实验数据的一个很明显的差别是模拟的数据中点11，12，13，14的流速均为0，这是由于这些点均邻近于排架壁面，而我们所给出的是垂直于壁面的流速，故为0；而此处的测量值，由于断面上各点的流速不是绝对地和过滤小室的水平轴线平行，即不是绝对地垂直于壁面，那么，在使用热球风速仪时，和壁面平行的分速度必然会影响到垂直分速度，故所测得轴线向的流速偏大另外，根据前面实验过程中的结论，在研究中只关注通过过滤器过滤面的流场分布，对于不影响研究流场均匀性的过滤器边缘部分，不必细究2.4相似性分析根据相似理论，模型和原型对应点的流速应该成比例给出了模拟出的在某一工况下过滤小室原型和实验台的流速分布及二者之比的分布可以看出，除了对应排架上的格板处的点，测点处的比例性很好，而且均接近实验台与原型结构尺寸之比2/3因此，如果对实验台模拟的结果是可信的，在实lingHouse.Allrightsreserved，http://www.cnki.net验台的建立符合相似理论的前提下，对买验台的模拟结果也可以直接应用于实际的过滤小室，这就给将实验台的研究结果直接推广到实际应用中提供了有力的佐证从另外一个角度看，模拟具有相似性的流场，得到与相似理论完全吻合的结论，这也说明用这种计算方法计算这种流场是正确的。

　　2.5流场随长度的变化有流动流体的管道越长，对流体流动的均匀化作用越强小室长度越长，HEPA过滤器断面上的流速分布越均匀，实验数据是符合这个规律的。

　　3种工况下的模拟结果模拟出的3种长度小室L的最大不均匀度与实验值都符合得很好。另外，气流最不均匀的过滤器的位置也和实验测得的结论一样，都是中间过滤器位置处这说明了模拟十分有效表2给出了模拟的小室长度大于4.0m情况下检测工况下的气流均匀性模拟结果表明：当实验小室的长度等于4. 6m时，小室内的气流就会达到<2（%的均匀性要求，此时对应的实际过滤小室长为6.9m表1无导流器时不同长度过滤小室检测工况均匀性比较平均值最大模拟值最大实验值表模拟出的均匀性随小室长度的变化平均值最大实验值最小长度约为4. 6m，对应的实际过滤小室的长度对装导流器的工况进行了计算，结果也充分显示了装导流器能大幅度提高流场的均匀化这一点是与实验数据是吻合的。

　　3结论经过多次选择、计算和验证，证明在使用标准k-（紊流模型，采用Darcy定律模拟过滤器，并且HEPA过滤器的模拟参数C选用50的计算条件下，对检测工况的气流场的模拟能达到较好的模拟效果模拟出的随长度的变化和实验所得到的结论一致：小室长度越长，流场的均匀性越妊模拟出在实验台的运行参数下符合20%的验收标准的为6.9m，此长度有待于在以后的实践中验证林中华，叶王遂生，齐文峰，等。低温核供热站核空气净化系统的调试、检漏与现场实验。环境工程科研论文汇编。北京：中国环境科学出版社，1991.江锋，杨俊，叶王遂生。核空气净化系统过滤小室内气流均匀性的实验研宄。清华大学学报，2000，余常昭。环境流体力学导论。北京：清华大学出版社，1992.金忠青。N-S方程的数值解和紊流模型。南京：河海大学出版社，1987.科林斯RE.流体通过多孔介质材料的流动。陈钟样，吴望一。北京：石油工业出版社，1984.