王 炫,杜風雷,王德忠,王一川,王 博*

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核電廠大型自然通風冷卻塔對氣載流出物擴散的影響

王 炫1,2,杜風雷1,王德忠2,王一川3,王 博3*

(1.上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233；2.上海交通大學,上海 200240；3.環(huán)境保護部核與輻射安全中心,北京 100082)

為深入研究大型自然通風冷卻塔及其濕熱羽對內陸核電廠氣載流出物擴散影響,應用計算流體力學軟件STAR-CCM+提供的-湍流模型模擬了單一冷卻塔的運行和停機對不同位置、不同釋放高度污染物擴散的影響,結果表明:當釋放高度為10m,釋放點位于停機冷卻塔迎風側時,釋放點下風向的地面軸線彌散因子相比于沒有冷卻塔時普遍降低1/3~1/2.當釋放高度為75m,冷卻塔運行時,若釋放點位于冷卻塔迎風側時,軸線彌散因子相比于沒有冷卻塔時普遍增大1~2倍;若釋放點位于冷卻塔背風側,則相比于沒有冷卻塔時普遍降低約1/2.當冷卻塔停機時,無論75m高度釋放點位于迎風側還是背風側,其軸線彌散因子均高于沒有冷卻塔時.當迎風側釋放高度達到150m時,在釋放點下風向約800m的范圍內,冷卻塔濕熱羽使得軸線彌散因子顯著增大,但到了800m范圍以外,冷卻塔濕熱羽使得軸線彌散因子減小.

CFD；大型自然通風冷卻塔；濕熱羽；大氣擴散；內陸核電廠

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展,能源需求和環(huán)境保護壓力急劇增加,內陸省份對于核電廠的需求愈發(fā)強烈[1].內陸核電廠的換熱采用基于大型冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng),按照第三代核電技術AP1000機型的設計標準[2],其冷卻塔高度可達215m,將顯著增加廠址環(huán)境地表下墊面的復雜程度,改變廠址近區(qū)的風場結構,使得核電廠氣載流出物的擴散呈現(xiàn)極大的不規(guī)律性[3].

隨著大型計算機技術的高速發(fā)展以及各種湍流模式的不斷完善,利用網(wǎng)格化技術的計算機流體動力學軟件(Computational Fluid Dynamics, CFD),通過對建筑物周圍風流動所遵循的動力學方程進行數(shù)值求解,不僅可以精確獲取構筑物的結構特征,還可以模擬其對周邊風場以及氣載放射性核素擴散的影響,從而最終仿真模擬出接近真實情形的風場和濃度場[4-6].如郭棟鵬等[7]采用CFD和風洞實驗模擬和驗證了位于立方體建筑物頂部所排放污染物的流動和擴散規(guī)律;王博等[8]和蔡旭輝等[9]也分別采用CFD模型模擬了內陸核電廠多個冷卻塔對大氣流動和湍流場的作用,但上述構筑物的建模均是按照實心考慮的,也沒有考慮冷卻塔濕熱羽對流場的影響.郭棟鵬[10]和Robert等[11-12]分別采用CFD方法模擬了機械通風冷卻塔濕熱羽的抬升和沉積規(guī)律,并采用ChalkPoint現(xiàn)場染色示蹤試驗驗證了模擬結果的準確性,結果表明,CFD方法優(yōu)于無法考慮建筑物的尾流效應的傳統(tǒng)冷卻塔濕熱羽擴散模型,如SACTI等.Consuegro等[13]和Lucas等[14]分別采用CFD模型模擬了環(huán)境溫度和風向對機械通風冷卻塔濕熱羽沉積的影響.而Adam等[15]還采用CFD模型計算了煙塔合一設計中煙囪排放的污染物在冷卻塔內部的擴散特征.綜上所述,目前國內外主要關注冷卻塔濕熱羽對周圍環(huán)境的影響、冷卻塔體對污染物擴散的影響、煙塔合一項目污染物在冷卻塔內部的擴散以及環(huán)境條件對冷卻塔濕熱羽排放等的影響,但研究重點多是針對火電廠的機械通風冷卻塔,對于核電廠大型自然通風冷卻塔的CFD模擬基本未見文獻報道,同時對于冷卻塔濕熱羽和自然通風冷卻塔底部進風口可能對于污染物擴散的影響也鮮有報道,而Derksen等[16]的風洞實驗證實了環(huán)境風速與進風強度的相互影響,因此,本研究是國內首次針對自然通風冷卻塔底部進風口對局地環(huán)流的影響開展研究,并基于三維數(shù)值模擬方法建立一套完整參數(shù)化建模和計算結果分析方法,揭示冷卻塔對氣態(tài)流出物擴散的影響規(guī)律,有效彌補傳統(tǒng)示蹤實驗、湍流觀測、風洞實驗的不足,極大縮短在核電廠開展大氣擴散模式專題研究的周期,顯著降低工程成本,具有良好的應用前景.

我國核安全導則《核電廠廠址選址的大氣彌散問題》[17]明確指出,在大氣靜穩(wěn)時,冷卻塔對距電廠幾百米范圍內的污染物釋放具有顯著影響.此外,應特別注意釋放源和冷卻塔的相對高度,特別是對于主導風向平行于冷卻塔與源的連線的廠址,在冷卻塔運行時,塔的濕熱羽將與污染物流相結合;而當冷卻塔不運行時,由于塔產(chǎn)生的附加湍流,高架源的地面最大濃度值將增加且位置向源靠近.因此,本文在研究內陸核電廠大型自然通風冷卻塔對污染物擴散影響時著重考慮釋放點的高度變化、釋放點與冷卻塔相對位置的變化以及冷卻塔濕熱羽對于污染物擴散的影響.

1 基于STAR-CCM+的CFD模擬

本文采用STAR-CCM+開展數(shù)值模擬計算.STAR-CCM+是CD-adapco集團推出的新一代CFD集成化平臺,目前已廣泛應用于航天、水運、汽車制造、環(huán)境等各行業(yè)[18].因標準湍流模型的收斂速度較快,計算量小,工程計算中應用較多[19-20],本文采用標準湍流模型封閉模擬空氣運動的Navier-Stokes方程,采用壓力耦合方程的半隱算法(SIMPLE)迭代求解離散化后的動量方程,壓力修正方程以及湍流動能方程及其耗散率方程等代數(shù)方程組[21].

2 k-ε湍流模型的驗證

本文選取我國某核電廠址開展室內風洞實驗研究,并對-湍流模型的有效性進行驗證,驗證過程考慮中性天氣條件(即D類穩(wěn)定度),相應的-湍流模型中施密特數(shù)取0.6.實驗在中國輻射防護研究院環(huán)境風洞實驗室完成,圖1給出了風洞模擬設備示意圖.如圖所示,該風洞為直流下吹式,風洞洞體全長36m,風速范圍0.2~9m/s,其試驗段頂板可調節(jié),以減小縱向壓力梯度.

根據(jù)模擬對象、模擬范圍、幾何相似和排放條件相似確定實驗的模型縮比.山體和反應堆建筑物群體的模型縮比為1:1500.模型表面具有適當粗糙度,維持邊界條件和固壁粗糙條件相似.圖2給出了風洞實驗的縮比物理模型.

圖1 風洞模擬設備示意

圖2 風洞實驗縮比模型

根據(jù)核電廠址百米鐵塔氣象資料,廠址地區(qū)環(huán)境風速較低,10m高度處的年平均風速為1.5m/s,70m高度處的風速為2.2~2.3m/s.當現(xiàn)場風速較低時,基于根本茂相似準則推算出的實驗風速很低,儀器探測存在一定難度.因此,根據(jù)雷諾數(shù)自準準則的動力相似判據(jù),風洞內的風速按照式(1)來調節(jié).據(jù)此調節(jié)風洞實驗中冷卻塔出口處風速為1.24m/s.

式中:為特征速度,即風洞中冷卻塔排放口處的實驗風速;ec為臨界雷諾數(shù),當ec>11000時實現(xiàn)雷諾數(shù)自準;為特征長度,取風洞中冷卻塔的高度;為粘性系數(shù).

風洞實驗一共開展NNW和SSE兩個風向方位,針對D類穩(wěn)定度條件下不同風向的CFD模擬計算結果,分別與風洞實驗的測量結果進行比較,如圖3所示.其中WT-C代表風洞實驗,CFD- C代表CFD數(shù)值模擬,DF為大氣彌散因子.

圖3 CFD模擬結果與風洞實驗比較

由圖3的比較結果可以看出,總體上,CFD數(shù)值模擬結果與風洞實驗結果能表現(xiàn)出一致的變化趨勢.在NNW方位,CFD的模擬結果略低于風洞實驗的結果;在SSE方位,兩者的結果非常接近,說明將-湍流模型應用于冷卻塔對污染物擴散模擬的分析,是合理可行的.

3 冷卻塔濕熱羽研究的三維建模及研究假設

借助于CFD模型強大的網(wǎng)格運算和求解能力,利用湍流計算模型模擬核電廠大型構筑物對廠址近區(qū)風場的影響,研究單一冷卻塔及其濕熱羽影響污染物擴散的規(guī)律.模擬過程考慮冷卻塔正常運行和停機時的高架釋放(75m)以及事故工況(冷卻塔停機)時的地面釋放(10m),釋放煙囪的內徑為2.5m;煙囪出口排氣介質為CO,速率為11.3m/s,源強為1kg/s;煙囪出口溫度為環(huán)境溫度,在模擬過程中不考慮溫度的影響,忽略重力作用.計算域的選擇遵循來流到構筑物的距離大于3倍建筑物高度、尾流到出口距離大于10倍構筑物高度、兩側與構筑物的距離大于5倍構筑物高度、模擬高度大于3倍構筑物高度等準則[22],本文構筑物的最大高度(冷卻塔)為215m,因此,模擬范圍為5.0km′2.0km′1.0km,共生成60萬個多面體網(wǎng)格,其中,冷卻塔網(wǎng)格分辨率為4m,煙囪網(wǎng)格分辨率為0.5m,其他區(qū)域最小網(wǎng)格20m,平均40m,如圖4,軸為東西方向,為南北方向,為豎直方向,計算區(qū)域和冷卻塔的邊界條件如圖5所示.在模擬過程中,10m高度風速取3m/s,風向為西風,假設流場為穩(wěn)態(tài),大氣為不可壓縮流體,不考慮地面粗糙度,邊界入口風速服從指數(shù)分布,風廓線指數(shù)取0.18,并考慮D類穩(wěn)定度.將污染物擴散視為單純的物理擴散過程,不考慮污染物的干濕沉降和化學變化,最終采用歸一化方法處理CFD模型的濃度計算結果,即定義彌散因子(DF值)=計算濃度(MassFraction)/釋放點濃度(MassFraction)/釋放點體積流量(55.44m3/s).

圖4 冷卻塔和釋放煙囪的三維建模及網(wǎng)格劃分

Fig.4 3D Modeling and mesh generation of structures

圖5 計算邊界設定

4 風場模擬

考慮到冷卻塔背風側對于風場的影響最大,模擬了冷卻塔正常運行及停機工況下,冷卻塔背風側距冷卻塔底部外壁10m、30m及50m處的風廓線,并與來流進行比較(圖略).結果表明3個距離段的風速相比來流明顯減弱,并呈現(xiàn)S型的分布.在168m以下,風速降低非常顯著;此外,隨著下風距離的增加,冷卻塔運行時對底部進風口抽吸的影響逐漸減弱,表現(xiàn)在冷卻塔運行工況下的低空風速略低于冷卻塔停機時,且低空區(qū)域的風廓線越來越接近于來流;而在冷卻塔頂部區(qū)域(約300m~400m),過頂氣流均得到微弱加強.

5 濃度場模擬

考慮到釋放點與冷卻塔的相對位置關系,分別在距離冷卻塔底部中心點215m處(1倍冷卻塔高度)的迎風側和背風側設置釋放點,研究冷卻塔對污染物擴散的影響,每個釋放點考慮10m高度事故釋放(此時相應冷卻塔已停機,堆芯余熱由換料水箱等余熱排出系統(tǒng)排出)和75m高度正常釋放(包括冷卻塔正常運行和停機兩種工況),即對比分析了6種模擬方案,如圖6.相應釋放點下風向氣載流出物地面軸線彌散因子如圖7.

圖6 典型釋放條件氣載流出物濃度剖面圖及擴散軌跡

方案1的釋放高度為10m,釋放點位于停機冷卻塔背風側,由于冷卻塔底部進風口高達14.9m,因此冷卻塔上游來風在14.9m的高度下可直接貫穿冷卻塔底部,受冷卻塔底部進風口上沿機械擾動的影響,風速略微增大,導致冷卻塔停機時的地面軸線因子略小于無冷卻塔時,但差別不大,說明此方案條件下,冷卻塔對污染物擴散沒有產(chǎn)生明顯影響.方案2的釋放點位于停機冷卻塔迎風側,在釋放點下風向的距離小于3km的范圍內,地面軸線彌散因子相比于沒有冷卻塔時普遍降低1/3~1/2,主要原因是,在該布局條件下,冷卻塔出風口與進風口之間的高度差產(chǎn)生風速差,不僅使冷卻塔迎風側的進風口存在對氣流的抽吸作用,冷卻塔迎風側腔體的內部也存在逆時針旋轉的湍流和整體向上的氣流,使得從釋放點釋放的污染物大量從冷卻塔迎風側進風口進入冷卻塔內部,其中絕大部分隨氣流從冷卻塔頂部排出,少部分直接穿過進風口,到達冷卻塔背風側.此外,由于污染物的擴散受阻而在冷卻塔迎風側有少量聚集使得釋放點下風向100m左右的地面軸線彌散因子略大于無冷卻塔時.

方案3的釋放高度為75m,釋放點位于停機冷卻塔背風側,由于高架源釋放的污染物受大型冷卻塔順時針尾流的顯著影響,其地面軸線彌散因子普遍比無冷卻塔時增加約1~2倍,且其最大軸線彌散因子的出現(xiàn)位置提前,數(shù)值增大兩倍左右.該規(guī)律與HAD101/02《核電廠廠址選址的大氣彌散問題》中的描述一致,即:“當冷卻塔不運行時,由于塔產(chǎn)生的附加湍流,高架源的地面最大濃度值將增加且其位置向源靠近”.方案4的釋放點位于停機冷卻塔迎風側,污染物基本上沒有進入到冷卻塔內部,而是繞流至冷卻塔背風側聚集,進而在冷卻塔順時針尾流作用下形成高濃度區(qū)域.雖有少量污染物會通過冷卻塔背風側的進風口進入到冷卻塔內部,但污染物軸線彌散因子普遍比沒有冷卻塔時增大約1~2倍.隨著下風向距離的增加,污染物擴散受冷卻塔尾流影響逐漸減弱,有無冷卻塔時的地面軸線彌散因子趨于重合.

圖7 典型釋放條件氣載流出物地面下風軸線彌散因子

方案5的釋放高度為75m,釋放點位于運行冷卻塔背風側,地面軸線彌散因子普遍比無冷卻塔時降低約1/2.這主要是由于冷卻塔運行時,其底部進風口和頂部排出的加速氣流,使得該布局條件下污染物的擴散受到影響,改變其擴散軌跡,降低其地面濃度.方案6的釋放點位于運行冷卻塔迎風側,地面軸線彌散因子比冷卻塔停機時略小.這主要是因為冷卻塔運行時部分濕熱羽在尾流區(qū)下沉裹挾少量污染物向上遷移,同時,背風側入風口對污染物的抽吸作用也在加強.但污染物軸線彌散因子普遍高于沒有冷卻塔時,因此,有必要進一步深入探討運行冷卻塔的濕熱羽對迎風側不同釋放高度污染物擴散影響程度和范圍.

6 冷卻塔濕熱羽對于污染物擴散的影響

在研究冷卻塔濕熱羽對于污染物的擴散影響時不考慮水滴的粒徑分布和相變過程,僅針對冷卻塔產(chǎn)生濕熱羽的動力和熱力抬升過程對污染物擴散的影響進行模擬分析.水在冷卻塔中冷卻的過程是對流散熱和蒸發(fā)散熱的過程.濕熱羽產(chǎn)生的流量是基于冷卻塔能力的經(jīng)驗公式計算所得,包括計算蒸發(fā)潛熱所得的蒸發(fā)損失、風吹損失以及排污損失.濕熱羽排放溫度以及排放速率也是對流換熱以及蒸發(fā)散熱相結合的經(jīng)驗公式計算所得.相關濕熱羽的物理參數(shù)如表1,模擬結果如圖8.

圖8 冷卻塔濕熱羽對迎風側不同高度釋放的影響

Fig.8 Impact of wet heated plume on the atmospheric dispersion from different release heights

圖9 150m釋放高度冷卻塔和污染物擴散軌跡

由圖8可知,在不考慮冷卻塔濕熱羽水滴相變及濕沉積過程時,對于釋放高度為10m、30m和75m的污染物擴散,冷卻塔濕熱羽幾乎沒有對污染物擴散造成影響.然而當釋放高度達到150m時,在釋放點下風向約800m的范圍內,冷卻塔濕熱羽使得軸線彌散因子顯著增大,而到了800m范圍以外至更遠的區(qū)域,冷卻塔濕熱羽使得軸線彌散因子減小,這主要是因為當釋放高度達150m時,釋放的氣載放射性核素在冷卻塔背風側首先受到順時針尾流的影響而增大了落地濃度,但同時也有相當數(shù)量的氣載放射性核素受到在尾流影響下沉后再繼續(xù)上升的濕熱羽影響而向上輸運和擴散,從而降低了遠區(qū)的落地濃度,圖9較直觀顯示了冷卻塔濕熱羽對于150m釋放的影響過程.

表1 冷卻塔濕熱羽物理參數(shù)

7 結論

7.1 在冷卻塔停機工況下,冷卻塔內的加速氣流對于迎風區(qū)域的流場影響較小.無論是在運行還是停機工況下,受冷卻塔擾動的環(huán)流均得到加強,且運行工況下的加強程度要高于停機工況;冷卻塔背風側湍流顯著減弱,而在冷卻塔頂部則形成加強的過頂氣流.

7.2 當釋放高度為10m,釋放點位于停機冷卻塔迎風側時,釋放點下風向的軸線彌散因子相比于沒有冷卻塔時普遍降低1/3~1/2;當釋放點位于停機冷卻塔背風側時,軸線彌散因子基本上同無冷卻塔時重合,說明冷卻塔對于背風側10m高度的煙囪釋放沒有產(chǎn)生明顯影響.

7.3 當釋放高度為75m,冷卻塔處于運行工況時,若釋放點位于冷卻塔迎風側,污染物軸線彌散因子普遍比沒有冷卻塔時增大約1~2倍,且隨著距離的增加,軸線彌散因子趨于重合.若釋放點位于冷卻塔背風側,軸線彌散因子普遍比無冷卻塔時降低約1/2.

7.4 當釋放高度為75m,冷卻塔處于停機工況時,無論釋放點位于冷卻塔的迎風側還是背風側,其下風向軸線彌散因子均高于無冷卻塔時,并且當釋放點位于冷卻塔的背風側時,其最大彌散因子約增大一倍,且出現(xiàn)位置提前.

7.5 在不考慮冷卻塔濕熱羽水滴相變及濕沉積過程時,對于迎風側釋放高度為10m、30m和75m的污染物擴散,冷卻塔濕熱羽幾乎沒有對其造成影響,然而當釋放高度達到150m時,在釋放點下風向約800m的范圍內,冷卻塔濕熱羽使得軸線彌散因子增大,到了800m范圍以外至更遠的區(qū)域,冷卻塔濕熱羽使得軸線彌散因子減小.

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Impact of large natural draft cooling tower on atmospheric dispersion of airborne effluent from nuclear power plant.

WANG Xuan1,2, DU Feng-lei1, WANG De-zhong2, WANG Yi-chuan3, WANG Bo3*

(1.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute CO., LTD, Shanghai 200233, China；2.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；3.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China)., 2018,38(5)：1695~1703

To calculate the impact of large cooling towers and their wet heated plume on the atmospheric dispersion of airborne effluent, the impact simulation of a single cooling tower was conducted under operation and shut down conditions. The atmospheric dispersion of airborne effluent from different release heights at different relative locations was calculated by the-model, and supported by a computational fluid dynamics model, STAR-CCM+. The results showed that when the release point was at a height of 10m and located on the windward side of a shut down cooling tower, the ground centerline dispersion factors downwind generally decreased to 1/3~1/2 compared with those in the absence of the cooling tower. In addition, when the release point was at a height of 75m, and located on the windward side of an operating cooling tower, the dispersion factors generally increased 1~2 times compared with those in the absence of the cooling tower. However, if the release point located on the leeward side of an operating cooling tower, the dispersion factors generally decreased to 1/2 compared with those in the absence of the cooling tower. When the cooling tower was shut down, the dispersion factors of 75m release height were higher than those without the cooling tower, regardless of the release point location was on the windward side or leeward side of the cooling tower. Compared with a shut down cooling tower, when the release point was at a height of 150m, and located on the windward side of an operating cooling tower, the wet heated plume increased the dispersion factors within approximately 800m downwind, but at the distance beyond 800m, the dispersion factors began to decrease.

CFD；large natural draft cooling tower；wet heated plume；atmospheric dispersion；inland nuclear power plant

TL48,X51

A

1000-6923(2018)05-1695-09

2017-11-07

國家科技重大專項(2013ZX06004-008)

王 炫(1983-),男,陜西西安人,高級工程師,上海交通大學博士研究生,主要從事核事故應急研究.發(fā)表論文20余篇.

* 責任作者, 高級工程師, wangbo@chinansc.cn