01 研究背景

福島核電站事故是由于地震海嘯的影響，燃料棒未能及時冷卻，導致鋯合金與水發生反應，產生大量氫氣，發生氫氣爆炸事故破壞了安全殼，最終導致核泄漏。核安全專家在探討氫氣爆炸的潛在風險以及在核電站嚴重事故中緩解該風險的措施上投入了大量精力。基于氫氣在安全殼內行為的研究，本研究旨在使用基于CFD通用仿真軟件研究在安全殼頂部存在垂直氣體噴泉時出現的氣體分層破裂現象。計算結果不僅分析了安全殼內氣體的流場和密度分布，而且還研究了CFD通用仿真軟件在計算多組分氣體流量中的準確性。

02 方法介紹

1. 實驗裝置

圖1實驗裝置

本實驗的裝置為高度為1.29m、底部為邊長為0.92m的正方形透明容器，如圖1所示。在底部的中心有一個直徑為0.02m的垂直進風口，在靠近盒子底部的壁面上有一個0.06m高的開口作為出口。

2. 幾何模型

幾何模型使用了實驗裝置的縮小尺寸以節省計算資源：邊長減半，面積1/4，體積1/8。在入口邊界上的單元設置源項，由于氦氣與氫氣密度基本相同且更安全，因此使用氦氣模擬氫氣。通過用戶自定義函數添加初始氦氣質量分數方程（總質量方程守恒）：

根據實驗結果，將不同空氣注入速度引起的分層破壞效應分為三個狀態。當速度較小時，氣體混合物中分子擴散占主導地位。隨著速度的增加，浮力在氣體混合中占主導地位，分層區向上推進（Fr<1）。如果速度持續增加，注入的空氣將到達頂部，并將直接打破分層帶（Fr=2）。在這種情況下，動量在氣體的混合物中占主導地位。模型計算選擇的Fr數最終為1.09，目的是為了驗證CFD通用仿真軟件模擬三種影響分層的主導因素（自由擴散、浮力和動量）下的能力。

03 案例分析

主要研究目的是氣體分層后空氣噴泉對分層破壞的影響，所以選擇氦氣停止注入的時刻（t=300s）作為模擬的起始時間點。

1. 分子擴散狀態：無空氣注入

在無空氣注入的情況下，容器內不同高度（z方向，單位m）的氣體密度（相對密度，無量綱化，縱坐標值越大說明氦氣含量越高）隨時間變化過程：

結果表明，接近頂部的三個位置的結果與實驗數據吻合較好。在一開始，上層混合氣體的密度非常小，這說明氦的質量分數很大，所以擴散過程非常快。但隨著擴散的繼續，質量分數的梯度變小，最終穩定下來。靠近底部的三個位置的過程與上述位置相反，密度下降。下層三條曲線的變化趨勢與實驗數據相同，但與實驗數據間的偏差大于上層。計算結果與后期的實驗數據相比皆偏大，說明氦的總質量略大于實驗數據。這可能是因為在數值計算中沒有氣體泄漏。

2. 分子擴散狀態：空氣注入

因為時間步長選擇0.1s時，網格粗細對結果有振蕩的影響，因此為了避免振蕩，選擇最細的網格。空氣注入時間為360~660s。

階段一：t=300~360s

在這個階段，空氣還沒注入，系統處于自由擴散狀態；

階段二：t=360~362s

空氣注入的前兩秒期間（v=2.803m/s），高速的空氣直接流入盒子的頂部（較高的位置相對密度瞬間大幅度下降，速度分布見FIGURE 6）；

階段三：t=362~660s

空氣噴泉在z=0.85m高處形成上下兩個漩渦（FIGURE 7）：上渦流將高密度的氣體從下部夾帶入上部，從而導致上部區域的密度增加；下渦流將低密度氣體從上部帶入下部，從而導致下部區域密度增加。

階段四：t=660~1200s，自由擴散過程。在這個過程中，氣體分布逐漸平衡，分層重新出現。

04 研究結論

本文利用CFD通用仿真方法對空氣噴泉實驗中的氣體分層破壞現象進行了數值研究。數值研究包括初始條件的驗證（自由擴散狀態）、時間步長的靈敏度試驗、網格尺寸的靈敏度試驗和空氣噴泉試驗的最終數值計算。對初始條件的數值模擬表明了氣體分層現象的結果。這個結果驗證了CFD通用仿真軟件中的浮力驅動流模型和混合氣體模型，為后續計算奠定了良好的基礎。通過網格尺寸靈敏度試驗，得到了數值模擬的最佳參數和網格。最終計算結果顯示了空氣噴泉氣體分層破壞現象的過程。一開始，空氣直接注入到氣體分層區。注入后，流動由浮力和分子擴散驅動。6個位置的密度的最大相對誤差均小于3%，同時也驗證了CFD通用仿真軟件在模擬類似現象上的準確性。

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