核電廠氫氣罐車爆炸數(shù)值模擬研究
氫氣爆炸是一種快速燃燒反應(yīng)過程，其火焰?zhèn)鞑ヅc沖擊波演化受點(diǎn)火位置、障礙物布局及建筑反射等多重因素耦合影響，傳統(tǒng)簡化模型難以準(zhǔn)確捕捉這些關(guān)鍵細(xì)節(jié)。FLACS軟件基于計(jì)算流體力學(xué)原理，在三維笛卡爾網(wǎng)格下有限體積法求解可壓縮Navier-Stokes控制方程（包含質(zhì)量、動(dòng)量、焓及物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)守恒方程），并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型描述流體流動(dòng)產(chǎn)生的湍流。通過對幾何模型的精確構(gòu)建，F(xiàn)LACS軟件將流體流動(dòng)與火焰?zhèn)鞑ミ^程相結(jié)合，從而得到復(fù)雜幾何環(huán)境下的爆炸沖擊波傳播及超壓分布。
本研究建立了包含反應(yīng)堆廠房、廠房及儲(chǔ)罐等的核電廠三維幾何模型，運(yùn)氫車位于廠區(qū)外公路。廠區(qū)外公路距反應(yīng)堆廠房約110米，距10號廠房約80米，距儲(chǔ)罐約57米，上述地點(diǎn)為本研究的主要關(guān)注目標(biāo)。研究假設(shè)最不利工況——運(yùn)氫車的10只儲(chǔ)氫鋼瓶（每只鋼瓶公稱工作壓力20MPa，整車充裝總?cè)莘e為3996m3）全部泄漏，形成等化學(xué)當(dāng)量濃度的氫氣-空氣氣云（體積為13510m3），并分別設(shè)置5個(gè)不同點(diǎn)火位置（氣云角落及中心），模擬爆炸后果。
圖：FLACS核電廠三維幾何模型及模擬工況設(shè)置
模擬結(jié)果顯示，點(diǎn)火位置對爆炸超壓分布有較大影響。當(dāng)點(diǎn)火位置位于氣云中央時(shí)，爆炸超壓呈現(xiàn)對稱分布；而當(dāng)點(diǎn)火位置位于氣云角落時(shí)，爆炸產(chǎn)生的高壓區(qū)域則均分布于氣云另一側(cè)。這主要是由于爆炸火焰在傳播過程中碰撞運(yùn)氫車，形成湍流導(dǎo)致火焰產(chǎn)生加速，傳播至氣云另一側(cè)產(chǎn)生高壓。該現(xiàn)象充分體現(xiàn)了CFD方法在分析復(fù)雜障礙物條件下爆炸傳播規(guī)律的優(yōu)勢。