CN113128089B - 一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法及装置,属于辐射防护技术领域,所述方法包括以下步骤:确定气力输运装置的关键输入参数、关键输出参数以及关键输入参数的取值范围;建立气力输运装置的三维物理模型;对三维物理模型进行网格划分,得到气力输运装置的网格模型;根据设定的进气压力对网格模型进行CFD计算,得到气力输运装置在不同工况下的CFD计算结果;将不同工况下的CFD计算结果进行对比,确定最优文丘里管的并联结构和进气压力。本发明通过基于文丘里管原理,通过优化改进环形增压室和多文丘里管并联结构,能够远距离输运高密度颗粒状屏蔽物质,满足核电厂现场临时屏蔽装置的远距离构建需求。

Description

一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法及装置
技术领域
本发明属于辐射防护技术领域,具体涉及一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法及装置。
背景技术
在核电厂停堆检修期间,为了降低职业照射人员的集体剂量,在实施管理控制措施和使用个人防护装备之前,临时屏蔽装置等工程控制措施是职业人员辐射防护的首要手段。对于周围剂量率较高并且需要进行检修的辐射热点区域,在允许检修人员进入相关区域开展工作前,构建临时屏蔽装置是必须采取的防护措施,也是降低核电厂停堆检修期间工作人员受照剂量的一项重要措施。
常用的临时屏蔽装置一般都是由铅、钨等重金属构成的,质量相对较大,在实际使用过程中存在许多不足。针对这种情况,为了有效减小辐射防护人员在屏蔽安装作业中所受的集体剂量,需要一种可以实现远距离安装的新型临时屏蔽装置。
可远距离安装屏蔽装置的核心是高密度颗粒状屏蔽物质的远距离输运。目前市售气力输运装置可运载的颗粒物密度不超过6g/cm3,而γ屏蔽中常用的钨粒或铅粒密度高达18.5g/cm3,因此,需要对其结构进行重组和优化,以满足远距离输运高密度颗粒状屏蔽物质的需求。
发明内容
针对现有技术中所存在的问题,本发明的目的在于提供一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法及装置,该装置能够远距离输运高密度颗粒状屏蔽物质,满足核电厂现场临时屏蔽装置的远距离构建需求,从而有效减小辐射防护人员在屏蔽安装作业中所受的集体剂量。
为达到以上目的,本发明采用的一种技术方案是:一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,所述方法包括以下步骤:
S1、确定气力输运装置的关键输入参数、关键输出参数以及所述关键输入参数的取值范围,所述关键输入参数包括位于气力输运装置的环形增压室外周的文丘里管的并联结构和进气压力,所述关键输出参数包括进气口负压度和出气口流速;
S2、基于所述文丘里管的并联结构取值范围建立所述气力输运装置的三维物理模型;
S3、对所述三维物理模型进行网格划分,得到所述气力输运装置的网格模型;
S4、根据设定的进气压力对所述网格模型进行CFD计算,得到所述气力输运装置在不同工况下的CFD计算结果;
S5、将所述不同工况下的CFD计算结果进行对比,确定最优文丘里管的并联结构和进气压力。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,步骤S1中所述文丘里管的并联结构取值范围为六组、八组或十组。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,步骤S1中所述进气压力的取值范围为2个标准大气压力、4个标准大气压力、6个标准大气压力、8个标准大气压力、10个标准大气压力或12个标准大气压力。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,步骤S2中通过建模软件建立所述气力输运装置的三维物理模型,所述三维物理模型包括六组并联、八组并联和十组并联文丘里管的气力输运装置三维物理模型。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,步骤S3中基于计算流体动力学的模拟精度需求确定网格尺寸。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,步骤S4中所述CFD计算结果包括所述进气口负压度和所述出气口流速。
基于上述一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,本发明实施例还提供一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,所述装置包括外壳、置于所述外壳内部的环形增压室以及与所述外壳一端面固连的连接法兰,所述环形增压室上并联布置有文丘里管,所述文丘里管的数量至少为8组,沿所述环形增压室圆周均匀分布。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,所述环形增压室和所述外壳之间以及所述环形增压室和所述连接法兰之间均设置有密封圈。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,所述环形增压室跨度为19.08mm,所述文丘里管的直径为0.93mm。
进一步,如上所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,所述气力输运装置的进气气压为8atm。
本发明的有益效果在于:本发明基于文丘里管原理,通过优化改进环形增压室和多文丘里管并联结构,在气力输运装置的入口端形成强负压,在出口端形成高速射流,两者结合给输运颗粒提供足够的动能,能够远距离输运高密度颗粒状屏蔽物质,满足核电厂现场临时屏蔽装置的远距离构建需求,从而有效减小辐射防护人员在屏蔽安装作业中所受的集体剂量。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中提供的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法流程图;
图2为图1实施例中六组文丘里管的并联结构时不同进气压力对进气口负压度的影响分析图;
图3为图1实施例中八组文丘里管的并联结构时不同进气压力对进气口负压度的影响分析图;
图4为图1实施例中十组文丘里管的并联结构时不同进气压力对进气口负压度的影响分析图;
图5为图1实施例中六组文丘里管的并联结构时不同进气压力对后端流速的影响分析图;
图6为图1实施例中八组文丘里管的并联结构时不同进气压力对后端流速的影响分析图;
图7为图1实施例中十组文丘里管的并联结构时不同进气压力对后端流速的影响分析图;
图8为本发明所述一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置一实施例的结构示意图;
图9为图8实施例中环形增压室的结构示意图。
其中,1-外壳;2-连接法兰;3-环形增压室;4-文丘里管;5-密封圈。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚,下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明保护的范围。
本发明的核心思想是基于文丘里管原理和CFD仿真技术,通过仿真对比文丘里管并联结构和进气压力对气力输运装置的进气口负压度和出气口流速的影响,进而确定环形增压室和多文丘里管的最优结构,在气力输运装置的入口端形成强负压,在出口端形成高速射流,两者结合给输运颗粒提供足够的动能。
参阅图1,图1为本发明实施例一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法流程图,所述方法包括以下步骤:
S1、确定气力输运装置的关键输入参数、关键输出参数以及关键输入参数的取值范围。
根据本发明的目的,本发明需对气力输运装置的气动特性进行优化,本实施例中,将气力输运装置的文丘里管的并联结构和进气压力作为关键输入参数,将气力输运装置的进气口负压度和出气口流速作为关键输出参数。
本实施例中,文丘里管的并联数量分别设定为六组、八组和十组,进气压力分别设定为2个标准大气压力(atm)、4个标准大气压力(atm)、6个标准大气压力(atm)、8个标准大气压力(atm)、10个标准大气压力(atm)和12个标准大气压力(atm)。
S2、基于所述文丘里管的并联结构取值范围建立所述气力输运装置的三维物理模型。
在现有市售气力输运装置的模型基础上,根据S1中确定的文丘里管的并联结构取值范围,分别建立六组并联、八组并联和十组并联文丘里管的气力输运装置三维物理模型,具体可通过建模软件,例如UG软件或PROE软件,对气力输运装置进行三维物理模型的绘制。
S3、对所述三维物理模型进行网格划分。
具体可通过网格划分软件,例如ANSYS或MESHING软件,对上述气力输运装置的三维物理模型进行网格划分,网格尺寸需满足CFD(计算流体动力学)的模拟精度需求。
S4、根据设定的进气压力对所述网格模型进行CFD计算,得到所述气力输运装置在不同工况下的CFD计算结果。
具体可通过流体仿真软件,例如ANSYS Fluent或ANSYS CFX软件,对气力输运装置的网格模型进行CFD计算,得到各个气力输运装置在不同进气压力下的气动特性、进气口负压度和出气口流速等结果,还可以根据分析需求得到不同工况下的流线场、马赫数、压力、流向压力梯度和湍动能等结果。
S5、将所述不同工况下的CFD计算结果进行对比,确定最优文丘里管的并联结构和进气压力。
图2-图4为图1实施例中各个文丘里管的并联结构下不同进气压力对进气口负压度的影响分析图,图5-图7为图1实施例中各个文丘里管的并联结构下不同进气压力对后端流速的影响分析图。从图2-7中可以看出,随着压缩空气进气压力的逐渐升高,进气口负压度和出气口流速均逐渐变大;然而,当进气压力达到8atm以上时它们的增长率明显变缓,考虑到现场可提供高压气源的压力范围,选择8atm作为气力输运装置的进气压力,最有利于提高进气口负压度和出气口流速。
当进气压力为8atm时,分析文丘里管的并联结构对进气口负压度和出气口流速的影响,发现八组并联结构时,进气口负压度和出气口流速均达到最大值,故确定文丘里管的最优并联结构为八组并联。
基于上述一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,本发明还提供了一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,参阅图8-9,图8为本发明所述一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置一实施例的结构示意图,图9为图8实施例中环形增压室的结构示意图,所述气力输运装置包括外壳1、置于外壳内部的环形增压室3以及与外壳一端面螺栓连接的连接法兰2,环形增压室3一端面上沿圆周均匀的并联布置有文丘里管4,文丘里管的数量至少为八组,环形增压室跨度为19.08mm,文丘里管直径为0.93mm,环形增压室和外壳之间以及环形增压室和连接法兰之间均设置有密封圈5,满足环形增压室的气密性要求。当气力输运装置的进气压力为8atm时,八组并联文丘里管结构的气力输运装置可实现高密度物质的远距离气力输运。
本发明提供的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法及装置,基于文丘里管原理和CFD仿真技术,通过优化和改进运行工况与气力输运装置结构,将市售气力输运装置的负压真空度由-12.5kPa增加到-16.7kPa,后端射流速度由5~20m/s提高到90-225m/s,极大提高了气力输运装置的运载能力,最终将可输运颗粒物密度由不大于6g/cm3提高到可达19g/cm3,可以将钨粒(18.5g/cm3)运送到垂直高度2m,水平距离10m处,满足了核电厂现场临时屏蔽装置的远距离构建需求,从而有效减小辐射防护人员在屏蔽安装作业中所受的集体剂量。
本领域技术人员应该明白,本发明所述方法及装置并不限于具体实施方式中所述的实施例,上面的具体描述只是为了解释本发明的目的,并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式,同样属于本发明的技术创新范围,本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,包括以下步骤:
S1、确定气力输运装置的关键输入参数、关键输出参数以及所述关键输入参数的取值范围,所述关键输入参数包括位于气力输运装置的环形增压室外周的文丘里管的并联结构和进气压力,所述关键输出参数包括进气口负压度和出气口流速;
S2、根据所述文丘里管的并联结构取值范围建立所述气力输运装置的三维物理模型;
S3、对所述三维物理模型进行网格划分,得到所述气力输运装置的网格模型;
S4、根据设定的进气压力对所述网格模型进行CFD计算,得到所述气力输运装置在不同工况下的CFD计算结果;
S5、将所述不同工况下的CFD计算结果进行对比,确定最优文丘里管的并联结构和进气压力。
2.根据权利要求1所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,其特征在于,步骤S1中所述文丘里管的并联结构取值范围为六组、八组或十组。
3.根据权利要求2所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,其特征在于,步骤S1中所述进气压力的取值范围为2个标准大气压力、4个标准大气压力、6个标准大气压力、8个标准大气压力、10个标准大气压力或12个标准大气压力。
4.根据权利要求3所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,其特征在于,步骤S2中通过建模软件建立所述气力输运装置的三维物理模型,所述三维物理模型包括六组并联、八组并联和十组并联文丘里管的气力输运装置三维物理模型。
5.根据权利要求4所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,其特征在于,步骤S3中基于计算流体动力学的模拟精度需求确定网格尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置的设计方法,其特征在于,步骤S4中所述CFD计算结果包括所述进气口负压度和所述出气口流速。
7.基于权利要求1-6任一项所述方法得到的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,其特征在于,所述装置包括外壳、置于所述外壳内部的环形增压室以及与所述外壳一端面固连的连接法兰,所述环形增压室上并联布置有文丘里管,所述文丘里管的数量至少为八组,沿所述环形增压室圆周均匀分布。
8.根据权利要求7所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,其特征在于,所述环形增压室和所述外壳之间以及所述环形增压室和所述连接法兰之间均设置有密封圈。
9.根据权利要求8所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,其特征在于,所述环形增压室跨度为19.08mm,所述文丘里管的直径为0.93mm。
10.根据权利要求9所述的一种高密度屏蔽物质颗粒气力输运装置,其特征在于,所述气力输运装置的进气气压为8atm。
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