CN114279913B - 重力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法，包括以下步骤：S1：对密闭空间内的多分散气溶胶的离散处理；S2：根据计算每个尺寸区间内的气溶胶粒子的体积形状因子；S3：基于气溶胶粒子的体积形状因子计算结果，以及气溶胶粒子在下降过程中受到的重力和阻力，计算气溶胶重力沉降速度；S4：对密闭空间进行空间离散处理；S5：计算空间内t时刻的气溶胶浓度。本发明能够提高重力作用下的密闭空间内非球形多分散气溶胶粒子浓度计算的准确性，提高核电厂事故情况下放射性源项释放评估的精度。

Description

重力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法

技术领域

本发明属于核电工程领域的模拟技术，尤其涉及一种重力作用下密闭空 间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法。

背景技术

核电厂严重事故后放射性物质裂变产物从堆芯释放，并以气态、蒸汽、 气溶胶等形式存在，其中气溶胶为分散并悬浮在气体介质中的固体或液体小 颗粒，是裂变产物的主要存在形式之一。事故情况下产生的气溶胶多为非球 形多分散粒子，其在安全壳内的行为直接影响最终释放到环境中的放射性源 项，重力沉降是一种有效的气溶胶自然去除机理，准确计算重力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度对澄清严重事故最终的释放源项具有重要意 义。

重力沉降模型考虑颗粒受到重力与阻力，当颗粒在气体中的运动达到受 力平衡时，将以一定的速度进行沉降，即重力沉降速度。模型假设气溶胶粒 子为标准球体进行重力和阻力的计算，但实际事故工况下，产生的气溶胶粒 子多为非标准球体，此种计算方法不适用。因此有必要提出一种密闭空间内 非标准球形多分散气溶胶浓度计算方法。

发明内容

本发明针对现有技术中忽略不规则形状的影响而导致的气溶胶重力沉降 计算不准确的问题，提供了一种重力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶 浓度计算方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种重力作用下的密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法，包括 以下步骤：

S1：对密闭空间内的多分散气溶胶的离散处理；

S2：根据计算每个尺寸区间内的气溶胶粒子的体积形状因 子；其中L为气溶胶粒子的长轴长度(m)，D为颗粒的短轴长度(m)，h为颗 粒的厚度(m)，θ为气溶胶粒子的自由下落处于稳定位置时粒子长轴与水平面 的夹角，根据实验测量多处于55°～90°区间，R为气溶胶粒子的半径(m)， 下标i表示气溶胶尺寸区间的编号；所述的气溶胶粒子的体积形状因子是指：粒子在重力作用下在空间中下降至稳定位置时规则粒子与不规则粒子所受重 力和阻力之比，与粒子的长轴、短轴、厚度，下降处于稳定位置时与水平面 的夹角和等效规则球体的半径相关；

S3：基于气溶胶粒子的体积形状因子计算结果，以及气溶胶粒子在下降 过程中受到的重力和阻力，计算气溶胶重力沉降速度；

S4：对密闭空间进行空间离散处理；

S5：计算空间内t时刻的气溶胶浓度。

所述的多分散气溶胶的离散处理是指：根据气溶胶粒子尺寸将多分散气 溶胶划分为多个尺寸区间，确定不同尺寸区间的代表性尺寸和该区间内气溶 胶的量，针对每一尺寸区间内气溶胶进行重力沉降计算。

气溶胶粒子尺寸符合对数正态分布，概率分布函数其中d_p为粒子直径，d_g为粒子的几 何平均直径，σ_g为几何标准偏差，确定划分的粒子尺寸区间总数为N_tot，尺寸 区间[d_qmin,d_qmax]内划分的尺寸区间数量为/>

所述的稳定位置是指：颗粒在气体中处于自由沉降状态时粒子受到的重 力和阻力相等时所处的位置。

所述的气溶胶粒子的重力是指：气溶胶粒子在气体中沉降时由于地球的 吸引而受到的力，与气溶胶粒子的体积和密度相关。

所述的气溶胶粒子的阻力是指：气溶胶粒子在气体中处于沉降状态时， 气体对运动气溶胶粒子的流体阻力，与气体粘度、气溶胶粒子尺寸和粒子运 动速度相关。

所述的重力沉降速度是指：当气溶胶粒子只受到重力沉降机制的作用， 在气体中垂直水平面方向运动的速度。

所述步骤S3中，气溶胶粒子达到受力平衡后，根据气溶胶粒子在重力 沉降过程中受到的重力等于气溶胶粒子所受阻力/>得 到气溶胶粒子沉降速度，同时采用体积形状因子修正后沉降速度得到，非球 形气溶胶粒子重力沉降速度

其中，μ_g为气体的动力粘度(Pa*s)，R为气溶胶粒子的半径(m)，v_G为气 溶胶粒子的重力沉降速度(m/s)，Cu(R_i)为坎宁滑移系数，R为气溶胶粒子的半 径(m)，ρ_P为气溶胶粒子的密度(kg/m³)，g为重力加速度(m/s²)，下标i表示气 溶胶尺寸区间的编号。

所述的重力沉降速度计算基于气溶胶粒子的体积形状因子计算结果是指： 对于不规则的球体，气溶胶粒子受到的重力并不等于根据测量直径计算得到 的体积与密度的乘积，阻力并不等于根据测量直径计算得到并与气体动力粘 度、粒子速度和坎宁滑移系数相关的值，因此用体积形状因子进行修正。

所述的坎宁滑移系数是用于表征当气溶胶颗粒尺寸与气体分子平均自由 程较接近时非连续效应的影响，其中λ为气体 分子平均自由程。

所述的空间离散是指：根据空间与沉积表面的距离，将大空间离散为多 个区间，并确定每个区间内不同粒径气溶胶粒子占总空间内气溶胶粒子的份 额，针对每个空间区间进行重力沉降计算。

所述的空间内气溶胶浓度是指：根据空间内初始气溶胶浓度、每个空间 区间内气溶胶份额、每个空间区间距离沉积面的距离和重力沉降速度计算得 到的空间内气溶胶分布。

根据其中Co₀为空间内初始气溶胶浓度 (kg/m³),Co(t)为t时刻空间内气溶胶浓度(kg/m³)，t为重力沉降持续的时 间(s)，S为气溶胶粒子与沉积面之间的距离，Frac为粒子占空间内总气溶胶 粒子的份额，下标i表示气溶胶尺寸区间的编号，下标j表示空间区间的编 号。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和 积极效果：

本发明对多分散气溶胶合理离散并考虑气溶胶粒子的体积形状因子时， 气溶胶粒子的重力沉降计算精度显著提高，即本发明解决了密闭空间内多分 散非球形气溶胶粒子的重力沉降计算不准确的问题，使用本发明所涉及的重 力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法，能够提高气溶胶粒 子重力沉降计算的准确性，提高核电厂事故情况下放射性源项释放评估的精度。

附图说明

图1为本发明计算密闭空间内多分散非球形气溶胶浓度计算流程图；

图2为非球形颗粒示意图；

图3为空间离散示意图；

图4为本发明实施例的实施效果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种重力作用下密闭空间内 非球形多分散气溶胶浓度计算方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发 明的优点和特征将更清楚。

参看图1，一种重力作用下的密闭空间内非球形多分散气溶胶粒子浓度 计算方法，包括以下步骤：

步骤1、多分散气溶胶的离散处理：核电厂事故情况下气溶胶粒子尺寸 符合对数正态分布，概率分布函数其中d_p为粒子直径，d_g为粒子的几何平均直径，σ_g为几何标准偏差。为平衡 计算资源与计算精度，根据不同尺寸气溶胶粒子所占份额进行离散处理。确 定划分的粒子尺寸区间总数为N_tot，尺寸区间[d_qmin,d_qmax]内划分的尺寸区间数量为/>确定每一尺寸区间的代表性尺寸和该区间内 气溶胶的份额。

步骤2、根据确定气溶胶粒子的体积形状因子，其中：如 图2所示，L为颗粒的长轴长度(m)，D为颗粒的短轴长度(m)，h为颗粒的厚 度(m)，θ为气溶胶粒子的自由下落处于稳定位置时粒子长轴与水平面的夹角， 根据实验测量多处于55°～90°区间，R为气溶胶粒子的半径(m)，下标i表示气溶胶尺寸区间的编号。

步骤3、根据确定气溶胶粒子在重力沉降过程中受到的重力, 其中R为气溶胶粒子的半径(m)，ρ_P为气溶胶粒子的密度(kg/m³)，g为重力加 速度(m/s²)。

步骤4、根据得到气溶胶粒子所受阻力与重力沉降速度的关系 式，其中μ_g为气体的动力粘度(Pa*s)，R为气溶胶粒子的半径(m)，v_G为气溶 胶粒子的重力沉降速度(m/s)，Cu(R_i)为坎宁滑移系数。

步骤5、气溶胶粒子达到受力平衡后，会以稳定的速度向下沉降，根据 粒子下降过程中所受重力等于所受的阻力，得到气溶胶粒子重力沉降速度

所述的坎宁滑移系数是用于表征当气溶胶颗粒尺寸与气体分子平均自由 程较接近时非连续效应的影响，其中λ为气体 分子平均自由程。

步骤6、空间的离散处理，如图3所示，根据空间与沉积表面的距离， 将密闭空间离散为多个空间区间，并确定每个区间内不同粒径气溶胶粒子占 总空间内气溶胶粒子的份额。

步骤7、根据其中Co₀为空间内初始气溶胶 浓度(kg/m³),Co(t)为t时刻空间内气溶胶浓度(kg/m³)，t为重力沉降持续 的时间(s)，S为气溶胶粒子与沉积面之间的距离，Frac为粒子占空间内总气 溶胶粒子的份额，下标i表示气溶胶尺寸区间的编号，下标j表示空间区间 的编号。

经过具体实验验证，当对多分散气溶胶合理离散并考虑气溶胶粒子的体 积形状因子时，气溶胶粒子的重力沉降计算精度显著提高，如图4所示，常 规方法和本申请的计算方法对ATF实验进行了模拟，本申请的计算方法得到 的气溶胶浓度变化与实验吻合较好。因此本发明不仅解决了密闭空间内多分 散非球形气溶胶粒子的重力沉降计算不准确的问题，而且使用本发明所涉及 的重力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法，能够提高气溶胶粒子重力沉降计算的准确性，提高核电厂事故情况下放射性源项释放评估的精度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于 上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利 要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种重力作用下密闭空间内非球形多分散气溶胶浓度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对密闭空间内的多分散气溶胶的离散处理：所述多分散气溶胶的离散处理为根据气溶胶粒子尺寸将多分散气溶胶划分为多个尺寸区间，确定不同尺寸区间的代表性尺寸和气溶胶的量，针对每一尺寸区间内气溶胶进行重力沉降计算；S2：根据计算每个尺寸区间内的气溶胶粒子的体积形状因子；其中L为气溶胶粒子的长轴长度，D为颗粒的短轴长度，h为颗粒的厚度，θ为气溶胶粒子的自由下落处于稳定位置时粒子长轴与水平面的夹角，R为气溶胶粒子的半径，下标i表示气溶胶尺寸区间的编号；

S3：基于气溶胶粒子的体积形状因子计算结果，以及气溶胶粒子在下降过程中受到的重力和阻力，计算气溶胶重力沉降速度；

所述稳定位置是指：颗粒在气体中处于自由沉降状态时粒子受到的重力和阻力相等时所处的位置；气溶胶粒子达到受力平衡后，根据气溶胶粒子在重力沉降过程中受到的重力等于气溶胶粒子所受阻力/>得到气溶胶粒子沉降速度，同时采用体积形状因子修正后得到非球形气溶胶粒子重力沉降速度/>

其中，μ_g为气体的动力粘度，R为气溶胶粒子的半径，v_G为气溶胶粒子的重力沉降速度，Cu(R_i)为坎宁滑移系数，ρ_P为气溶胶粒子的密度，g为重力加速度，下标i表示气溶胶尺寸区间的编号；

S4：对密闭空间进行空间离散处理：根据空间与沉积表面的距离，将大空间离散为多个空间区间，并确定每个空间区间内不同粒径气溶胶粒子占总空间内气溶胶粒子的份额；S5：计算空间内t时刻的气溶胶浓度：根据计算t时刻空间内气溶胶浓度；

其中，Co₀为空间内初始气溶胶浓度,Co(t)为t时刻空间内气溶胶浓度，t为重力沉降持续的时间，S为气溶胶粒子与沉积面之间的距离，Frac为粒子占空间内总气溶胶粒子的份额，下标i表示气溶胶尺寸区间的编号，下标j表示空间区间的编号。