孟祥達(dá) 曲曉銳

(中國核電工程有限公司,北京100840)

1 概述

核設(shè)施一般采用了離子交換樹脂進(jìn)行中低放廢液的處理。這些設(shè)施產(chǎn)生的廢樹脂為顆粒狀物質(zhì),通過除鹽水輸送到固體廢物處理系統(tǒng)廢樹脂貯槽進(jìn)行暫存衰變,然后輸送到固體廢物處理裝置進(jìn)行處理。廢樹脂和水的混合物輸送屬于液固兩相流,在貯存和輸送過程中容易沉積,造成貯槽和管道堵塞,而且廢樹脂具有一定的放射性,一旦發(fā)生堵塞,將對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來較大影響,并對(duì)設(shè)施維修造成困難。

在核電廠,國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的二代加改進(jìn)型機(jī)組中,廢樹脂采用水泥固化工藝處理,輸送和計(jì)量環(huán)節(jié)少,通過合理的布置將水泥固化線布置在廢樹脂貯槽下方,這樣采用水力輸送和重力輸送就能避免堵塞的發(fā)生。隨著國內(nèi)三代核電廠和集中式廢物處理中心的不斷建設(shè),廢樹脂的輸送和計(jì)量需求越來越多,要求也越來越高,需要將廢樹脂從核島運(yùn)送到廢物處理中心集中處理。同樣在乏燃料后處理廠的建設(shè)中,需要使用槽車將廢樹脂從中低放廢液處理設(shè)施運(yùn)送到水泥固化設(shè)施進(jìn)行水泥固化處理。為了確保廢樹脂的均勻混合、準(zhǔn)確控制廢物和水的比例、保證管道輸送過程中不發(fā)生堵塞,進(jìn)行了核設(shè)施廢樹脂攪拌和輸送試驗(yàn)研究,同時(shí)采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)廢樹脂攪拌進(jìn)行仿真計(jì)算,將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性,為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供一條有效的計(jì)算途徑。

通過試驗(yàn)獲得了各種攪拌方式和輸送工藝的大量試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù),經(jīng)過對(duì)比各種攪拌和輸送工藝的性能指標(biāo),總結(jié)了最優(yōu)攪拌方式和輸送工藝。最終得出:采用三層葉片式攪拌槳方式進(jìn)行攪拌,電機(jī)全頻功率為7.5 kW,在頻率為30Hz(轉(zhuǎn)速大約為150r/min)及以上攪拌時(shí)的攪拌效果較好,最上和最下取樣口混合物取樣樣品的濃度差小于20%[1]。

本文采用CFD常用分析軟件Fluent對(duì)攪拌槳攪拌方式進(jìn)行數(shù)值模擬分析,將模擬計(jì)算的樹脂體積分?jǐn)?shù)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

2 計(jì)算模型

本文以樹脂罐進(jìn)行建模分析,樹脂罐裝有離子交換樹脂和水,通過攪拌槳對(duì)樹脂和水的混合物進(jìn)行攪拌。

樹脂罐外形尺寸:φ1880x2690mm,全容積:6m3,有效容積:5m3,設(shè)計(jì)溫度:0-50℃,設(shè)計(jì)壓力:常壓,采用聚丙烯(PP)塑料板焊接制作。樹脂罐從下往上依次設(shè)置四個(gè)取樣口(N4-N7),每個(gè)取樣口的間距為450mm。樹脂罐設(shè)有攪拌槳支架和攪拌裝置,四周設(shè)有折流板,折流板寬度為40mm。攪拌槳采用三層的斜葉漿式攪拌器。攪拌裝置的電動(dòng)機(jī)采用由變頻器控制的變頻電機(jī),可通過調(diào)整頻率控制攪拌槳的轉(zhuǎn)速。攪拌槳及電機(jī)參數(shù)如下:

漿葉參數(shù):直徑φ600,三層漿葉；

材料:碳鋼；

攪拌軸直徑:φ65；

轉(zhuǎn)速:0-250r/min,對(duì)應(yīng)變頻電機(jī)頻率0-50Hz；

攪拌電機(jī)功率:7.5 kW。

樹脂罐示意圖見圖1。

圖1 樹脂罐示意圖

本項(xiàng)目使用ANSYS Workbench自帶模塊建模、劃分網(wǎng)格,采用非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格,局部加密。有限元模型見圖2。模型分為包含漿葉部分的三個(gè)動(dòng)區(qū)域和外面罐子部分的靜區(qū)域。模型初始狀態(tài)上部為水,下部為沉積的樹脂和水。根據(jù)試驗(yàn)測試濕樹脂的濕真密度為1266kg/m3,濕視密度為820kg/m3,計(jì)算得下部樹脂和水的混合流體內(nèi)樹脂的體積分?jǐn)?shù)為0.65,濕樹脂顆粒平均直徑為0.6 mm。攪拌槳轉(zhuǎn)速為200rpm。

圖2 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型和有限元模型

3 計(jì)算方法和邊界條件

3.1 計(jì)算方法

Lagrange法和Euler法是計(jì)算流體力學(xué)中研究固-液兩相流動(dòng)的主要方法[2]。其中Euler法將顆粒和流體都看作連續(xù)介質(zhì),顆粒和流體共同存在且相互滲透,同在Euler坐標(biāo)系下處理,對(duì)模型中固相和液相分別求解質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程[3],該模型適合較高顆粒濃度的固-液兩相流計(jì)算。本文采用Euler-Euler雙流體模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)攪拌槽內(nèi)的固液懸浮特性進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬,時(shí)間步長初始選取0.001 s,根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整時(shí)間步長為0.005 s。

3.2 邊界條件

本項(xiàng)目采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent18.0 對(duì)攪拌槽內(nèi)固-液兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬,采用瞬態(tài)計(jì)算,直到攪拌槽內(nèi)速度場和濃度場都不再隨時(shí)間變化為止,收斂殘差達(dá)10-5以下。

自由液面采用對(duì)稱邊界條件；槽壁和擋板設(shè)為固體邊界,采用無滑移邊界條件,近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)處理；漿葉和攪拌軸設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面條件。漿葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域和其他靜止區(qū)域采用多重參考系法(multiple reference frame,MRF)處理[4],旋轉(zhuǎn)區(qū)域在旋轉(zhuǎn)參考系下計(jì)算,旋轉(zhuǎn)速度即為攪拌轉(zhuǎn)速,靜止區(qū)域在靜止坐標(biāo)系下計(jì)算。兩區(qū)域間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換通過交界面進(jìn)行。采用基于壓力的隱式求解器,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,離散格式采用一階迎風(fēng)格式。

4 結(jié)果和分析

圖3為轉(zhuǎn)速200rpm時(shí)漿葉的速度云圖,葉端速度為6.28 m/s。漿葉直徑為600mm,理論計(jì)算得葉端的線速度為:v=200*2π*0.3 /60=6.283 m/s,與模擬結(jié)果相同,證明MRF模型設(shè)置正確。圖4為漿葉的壓力分布云圖。圖5和圖6分別為轉(zhuǎn)速200rpm,T=15s時(shí)刻,豎直平面和距離罐底0.67 m平面的速度矢量圖,可以看出在豎直平面,液流從液面經(jīng)攪拌槳葉輪流下,沖擊罐壁并沿罐壁向上流動(dòng),形成軸向流動(dòng),帶動(dòng)罐中的樹脂顆粒流動(dòng),使樹脂懸浮從而達(dá)到攪拌的目的。從水平圖中可以看出,在攪拌槳推進(jìn)方向,體積流受剪切力的作用沿推進(jìn)方向運(yùn)動(dòng),達(dá)到受控體積流的流動(dòng)和輸送。

圖3 漿葉速度云圖

圖4 漿葉壓力云圖

圖5 T=15s豎直截面速度矢量圖

圖6 T=15s據(jù)罐底0.75 m水平截面速度矢量圖

圖7-圖10為轉(zhuǎn)速200rpm時(shí),模擬的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布圖。其中圖7所示為初始時(shí)刻固液分布,樹脂沉積在底部,底部樹脂和水混合體積為整個(gè)流體區(qū)域的50%,樹脂實(shí)際體積占下部樹脂和水混合體積的65%。圖8為T=15s時(shí)刻,整個(gè)流體區(qū)域樹脂體積分布云圖。圖9顯示的為T=15s時(shí)刻垂直截面上的固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布,圖10所示的四個(gè)平面為管嘴N4、N5、N6、N7所在水平面的樹脂顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖。從圖中固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)分布看出,在200rpm的轉(zhuǎn)速下,T=15s時(shí)刻,樹脂基本攪拌均勻。將模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析見表1。通過對(duì)比分析可以得知模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

圖7 初始時(shí)刻樹脂體積分?jǐn)?shù)

圖8 T=15s攪拌混合后樹脂體積分?jǐn)?shù)

圖9 T=15s豎直截面樹脂體積分?jǐn)?shù)

圖10 T=15s N4/5/6/7水平截面樹脂體積分?jǐn)?shù)

表1 樹脂體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

5 結(jié)論

通過對(duì)比分析可以得知采用三層葉片式攪拌槳方式對(duì)廢樹脂罐進(jìn)行攪拌,電機(jī)全頻功率為7.5 kW,在頻率為40Hz(轉(zhuǎn)速大約為200r/min)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合,最大誤差為13.6%,模擬結(jié)果較為可靠,為后續(xù)核設(shè)施廢樹脂罐攪拌槳的選型提供了重要的方法。