CN108846163B - 一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法 - Google Patents

一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：通过室内气体扩散实验和数值仿真确定数值模拟方案；根据RX厂房结构实际情况建立RX厂房结构几何模型；对所述RX厂房结构几何模型进行网格剖分与加密；对剖分后的网格进行网格无关性验证，确定数值模拟的网格密度；根据所述数值模拟方案、RX厂房结构几何模型和网格密度，使用FLUNET软件进行气相初始状态模拟计算。本发明能够确定定安全壳打压试验前RX厂房内危险气体的含量和位置，为后续计算安全壳打压试验期间危险气体扩散行为提供输入，同时提供安全壳试验火灾预警系统中的气体监控装置的安装位置信息。

Description

一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法
技术领域
本发明涉及火灾预警技术领域，具体涉及一种核电厂RX厂房用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法。
背景技术
核电站安全壳是核安全最后一道屏障，设计的功能是在任何情况下，要防止放射性物质逸出安全壳，以保护环境与公众。为保证安全壳正确的功能特性，当机组停运后，核电站通过计划性的周期试验来确认设计功能。安全壳的周期性试验被称为安全壳打压试验，而火灾风险是安全壳打压试验的主要风险。
安全壳打压试验前RX厂房内其他维修活动使用的油漆、清洗剂等化学品会释放出大量易燃易爆危险气体如甲醇、乙醇等。随着核电技术的发展和工作要求的提高，需要对安全壳打压试验的试验时间进行优化，而试验时间的优化会使这些气体无法排出RX厂房（反应堆厂房）内，容易引起火灾，因此需要一种研究核电厂RX厂房安全壳试验前气相初始状态的方法来判定这些危险气体能否引起安全壳试验的火灾风险。
而采用CFD方法的流体力学模型能够很好地描述危险气体在受限空间中的扩散情况，随着计算机技术的快速发展，对危险气体扩散过程运用CFD方法进行数值模拟已经成为国内外研究的热点。
发明内容
本发明针对安全壳打压试验时间优化导致安全壳内易燃易爆危险气体无法排除RX厂房而容易引起火灾的技术问题，基于CFD技术提出一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，为安全进行安全壳试验和防范火灾提供理论基础。
为了实现本发明目的，本发明实施例提供一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，所述方法包括如下步骤：
通过室内气体扩散实验和数值仿真确定数值模拟方案；
根据RX厂房结构实际情况建立RX厂房结构几何模型；
对所述RX厂房结构几何模型进行网格剖分与加密；
对剖分后的网格进行网格无关性验证，确定数值模拟的网格密度；
根据所述数值模拟方案、RX厂房结构几何模型和网格密度，使用FLUNET软件进行气相初始状态模拟计算。
优选地，所述通过室内气体扩散实验和数值仿真确定数值模拟方案包括：在对进行室内气体扩散实验得到实验结果，对室内气体扩散过程进行数值仿真得到计算结果，根据所述实验结果和计算结果对比分析情况确定数值模拟方案的技术条件和相关参数。
优选地，所述根据RX厂房结构实际情况建立RX厂房结构几何模型包括：对结构复杂的细小结构进行消去和光滑处理。
优选地，所述网格剖分包括将所述RX厂房结构划分为多个多面体，并在网格剖分完成后，对危险气体挥发面附近的网格进行增加网格密度。
优选地，所述网格剖分采用结构化网格剖分方式、非结构化网格剖分方式或混合网格剖分方式。
优选地，所述网格剖分包括：分别采用结构化网格剖分方式、非结构化网格剖分方式和混合网格剖分方式对RX厂房内的空间进行网格剖分，通过数值模拟确定以上剖分方式对计算精度的影响，并根据所述计算精度的影响选出最优的网格剖分方式。
优选地，所述对剖分后的网格进行网格无关性验证包括：不断地改变网格的疏密，观察计算结果的变化，若其变化在预设的允许范围内，即剖分的网格达到了网格无关性。
优选地，所述使用FLUNET软件进行气相初始状态模拟计算包括：根据对电厂收集的安全壳打压试验前使用的多种化学品的挥发情况的分析和测试的结果，对RX厂房内有气体挥发的面进行标记，确定挥发的量，以化学品100%挥发作为挥发量，对RX厂房内气体流动进行模拟仿真，根据所述数值模拟方案、RX厂房结构几何模型和网格密度对RX厂房内气体流动进行模拟仿真，最终得到气相初始状态。
与现有技术相比，实施本发明实施例的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法具有如下有益效果：
1.本发明实施例方法使用CFD技术从理论上计算出安全壳试验前RX厂房的气相初始状态，为安全进行安全壳试验提供理论基础。
2.本发明实施例方法为安全壳试验前大修行为提供指导，可以使现场工作人员合理使用挥发出危险气体的化学品。
3.本发明实施例方法为后续计算安全壳打压试验期间危险气体扩散行为提供输入，同时提供安全壳试验火灾预警系统中的气体监控装置的安装位置信息，为有效提高核电厂安全性作铺垫。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法流程图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透切理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例结合附图来进行说明。
如图1所示为本发明实施例提供的一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S100：通过室内气体扩散实验和数值仿真确定数值模拟方案；
步骤S200：根据RX厂房结构实际情况建立RX厂房结构几何模型；
步骤S300：对所述RX厂房结构几何模型进行网格剖分与加密；
步骤S400：对剖分后的网格进行网格无关性验证，确定数值模拟的网格密度；
步骤S500：根据所述数值模拟方案、RX厂房结构几何模型和网格密度，使用FLUNET软件进行气相初始状态模拟计算。
其中，FLUNET软件是CFD计算软件的一种，而CFD（计算流体力学，ComputationalFluid Dynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和浓度场等，用一系列有限离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点场变量之间关系的代数方程组，然后求解方程组获得变量的近似值。
其中，核电厂RX厂房的安全壳（第三道核安全屏障）每隔10年需要进行一次打压测试，以检验安全壳的强度和密封性。打在安全壳打压期间，可燃、易燃等挥发性化学药品依然持续释放，当壳内压力较高、空气干燥时，安全壳内存在较大的火灾风险。因此，预测可燃、易燃挥发性气体在壳内的扩散过程和浓度分布，对预测壳内火灾风险至关重要。本发明实施例方法针对安全壳中可燃、易燃挥发性气体的释放，运用FLUENT软件对其扩散过程进行了数值仿真，得到气体浓度的时空分布，验证数值仿真方法的可行性和准确性；为降低安全壳火灾风险提供理论依据，有助于对安全壳火灾情况进行监控。
根据本发明一个实施例，步骤S100中，通过室内气体扩散实验和数值仿真确定数值模拟方案包括：在对进行室内气体扩散实验得到实验结果，对室内气体扩散过程进行数值仿真得到计算结果，根据所述实验结果和计算结果对比分析情况确定数值模拟方案的技术条件和相关参数。
其中，所述实验结果为室内气体扩散实验得到的气体扩散数据，主要指气体浓度分布。具体而言，以二氧化碳为例，首先向室内通入一定量二氧化碳，室内布置多个二氧化碳浓度仪，浓度仪记录各时间点二氧化碳浓度，直至读数不再变化，此时便可以获取二氧化碳在室内的扩散数据。
此外，所述计算结果为利用数值仿真技术得到的相同条件的计算结果，同样以二氧化碳为例，得到的是计算机上计算的二氧化碳各时间点浓度。
本实施例对所述实验结果和计算结果进行对比分析，根据分析结果确定数值模拟中采用的湍流模型、近壁面网格处理、扩散源项（挥发面）处理、差分格式等技术细节，优化数值模拟方案，使模拟结果最接近实验室的实验值。需要说明的是，模拟结果最接近实验值时的气体扩散数值模拟方案即为本发明实施例要求取的理想数值模拟方案，其用于后续的RX厂房内气体流动情况的模拟仿真。
根据本发明一个实施例，为便于后续计算，需要对RX厂房内部结构进行平滑处理，具体而言，步骤S200中根据RX厂房结构实际情况建立RX厂房结构几何模型还包括对结构复杂的细小结构进行消去和光滑处理，例如可以对RX厂房内1m3以下设备全部消除。
根据本发明一个实施例，网格生成是数值仿真计算中重要一环，步骤S300中所述网格剖分包括将所述RX厂房结构划分为多个多面体，并在网格剖分完成后，对危险气体挥发面附近的网格进行适当地增加网格密度。
根据本发明一个实施例，步骤S300中所述网格剖分采用结构化网格剖分方式、非结构化网格剖分方式或混合网格剖分方式。其中，混合网格剖分方式即为包括结构化网格剖分方式和非结构化网格剖分方式的一种方式。
而根据本发明另一个实施例，步骤S300中所述网格剖分包括：分别采用结构化网格剖分方式、非结构化网格剖分方式和混合网格剖分方式对RX厂房内的空间进行网格剖分，通过数值模拟确定以上剖分方式对计算精度的影响，并根据所述计算精度的影响选出最优的网格剖分方式。具体而言，在用每种方式剖分完网格后，计算机会自动计算评估网格的优劣，从中选取最优方案。
根据本发明一个实施例，步骤S400中对剖分后的网格进行网格无关性验证为验证数值计算结果（即步骤S500得到的结果）对于网格密度变化的敏感性；具体而言，其包括不断地改变网格的疏密，观察计算结果的变化，若其变化在预设的允许范围内，即剖分的网格达到了网格无关性，此时即确定网格的密度。
根据本发明一个实施例，步骤S500中使用FLUNET软件进行气相初始状态模拟计算包括：根据对电厂收集的安全壳打压试验前使用的多种化学品的挥发情况的分析和测试的结果，对RX厂房内有气体挥发的面进行标记，确定挥发的量，以化学品100%挥发作为挥发量，以上述为入口边界条件，对RX厂房内气体流动进行模拟仿真，根据所述数值模拟方案、RX厂房结构几何模型和网格密度对RX厂房内气体流动进行模拟仿真，最终得到气相初始状态。
其中，边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶倒数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题，才能进行流场计算。在本发明实施例中，应用的主要是流动入口边界。
化学品挥发的危险性气体在安全壳内的扩散过程是一个三维非定常多组分的湍流流动和传热、传质过程，其运动规律受质量守恒定律牛顿第二运动定律、热力学第一定律和传热传质定律控制。三维流体力学模型在物理意义上能够给出危险性气体扩散的最完整描述，它通过对连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和输运方程等控制方程的求解，得到及其复杂的流场内各个位置的基本气体浓度的分布，以及这些气体浓度的变化情况。
本发明实施例利用CFD方法建立了受限空间内气体扩散的数学模型。给出了气体扩散的数值模拟所用到的控制方程组，其中对空间内空气的湍流采用标准k-ε模型或SSTk-ω模型，运用组分输运模型对扩散过程进行模拟。
通过以上实施例的描述可知，实施本发明实施例的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法具有如下有益效果：
1.本发明实施例方法使用CFD技术从理论上计算出安全壳试验前RX厂房的气相初始状态，为安全进行安全壳试验提供理论基础。
2.本发明实施例方法为安全壳试验前大修行为提供指导，可以使现场工作人员合理使用挥发出危险气体的化学品。
3.本发明实施例方法为后续计算安全壳打压试验期间危险气体扩散行为提供输入，同时提供安全壳试验火灾预警系统中的气体监控装置的安装位置信息，为有效提高核电厂安全性作铺垫。
本发明实施例方法中未展开的部分，可参考以上实施例方法的对应部分，在此不再详细展开。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
通过室内气体扩散实验和数值仿真确定数值模拟方案；
根据RX厂房结构实际情况建立RX厂房结构几何模型；
对所述RX厂房结构几何模型进行网格剖分与加密；
对剖分后的网格进行网格无关性验证，确定数值模拟的网格密度；
根据所述数值模拟方案、RX厂房结构几何模型和网格密度，使用FLUNET软件进行气相初始状态模拟计算；其中，所述使用FLUNET软件进行气相初始状态模拟计算包括：根据对电厂收集的安全壳打压试验前使用的多种化学品的挥发情况的分析和测试的结果，对RX厂房内有气体挥发的面进行标记，确定挥发的量，以化学品100％挥发作为挥发量，对RX厂房内气体流动进行模拟仿真，根据所述数值模拟方案、RX厂房结构几何模型和网格密度对RX厂房内气体流动进行模拟仿真，最终得到气相初始状态。
2.如权利要求1所述的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述通过室内气体扩散实验和数值仿真确定数值模拟方案包括：在对进行室内气体扩散实验得到实验结果，对室内气体扩散过程进行数值仿真得到计算结果，根据所述实验结果和计算结果对比分析情况确定数值模拟方案的技术条件和相关参数。
3.如权利要求1所述的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述根据RX厂房结构实际情况建立RX厂房结构几何模型包括：对结构复杂的细小结构进行消去和光滑处理。
4.如权利要求1所述的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述网格剖分包括将所述RX厂房结构划分为多个多面体，并在网格剖分完成后，对危险气体挥发面附近的网格进行增加网格密度。
5.如权利要求4所述的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述网格剖分采用结构化网格剖分方式、非结构化网格剖分方式或混合网格剖分方式。
6.如权利要求4所述的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述网格剖分包括：分别采用结构化网格剖分方式、非结构化网格剖分方式和混合网格剖分方式对RX厂房内的空间进行网格剖分，通过数值模拟确定以上剖分方式对计算精度的影响，并根据所述计算精度的影响选出最优的网格剖分方式。
7.如权利要求1所述的用于确定安全壳试验前气相初始状态的方法，其特征在于，所述对剖分后的网格进行网格无关性验证包括：不断地改变网格的疏密，观察计算结果的变化，若其变化在预设的允许范围内，即剖分的网格达到了网格无关性。
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