有限空间内喷淋响应过程数值分析
摘要
安全壳喷淋系统的主要作用是当反应堆发生失水事故或主蒸汽管道破裂等事故时
限制安全壳内部环境的温度、压力不超过允许限制。同时，喷淋过程也会影响安全壳内
的气体混合现象，进而影响氢气爆炸的可能性。对有限空间内喷淋响应过程动力学效应
和热力学效应的研究，有助于掌握喷淋对气体的混合特性和有限空间环境内降温降压速
率的影响规律，为喷淋系统的设计提供参考。
本文使用计算流体动力学软件，分别对有限空间内空气-氦气环境下和空气-蒸汽环
境下的喷淋响应过程进行了数值模拟研究。在验证了液滴的运动和传热传质模型合理性
的基础上，进一步分析了液滴直径、喷淋流量和喷淋高度等参数对气体混合特性以及有
限空间环境内温度和压力变化的影响。
通过对空气-氦气环境下有限空间内喷淋响应过程的动力学效应的数值模拟，研究
了液滴直径、喷淋流量、喷淋高度和氦气份额等因素对气体混合趋势以及混合时间的影
响。结果表明：在其他条件保持不变的情况下，所研究范围内液滴直径对气体混合特性
有比较明显的影响，直径越小，气体的混合效果也越好；喷淋流量和氦气份额的变化对
气体混合程度的影响很小；喷淋高度的改变对喷嘴下方区域的氦气体积分数影响很大，
喷淋高度越高，充分混合后氦气体积分数越高。
通过对空气-蒸汽环境下有限空间内喷淋响应过程的热力学效应的数值模拟，分析
了液滴直径、喷淋流量和喷淋高度等因素对降温降压速率的影响。结果表明：在其他条
件保持不变的情况下，所研究范围内液滴直径对温度和压力变化的影响显著，液滴直径
越小，降温降压速率越大，液滴直径为350μm的工况相较于液滴直径为150μm工况的
降压速率降低了12.2%，0~100s内的降温速率降低了16.88%；喷淋流量越大，降温降
压速率越高，即使流量改变很小，温度和压力随时间的变化都很大；喷淋高度越高，液
滴与蒸汽直接作用的区域越大，降温降压效果越好。
对空气-蒸汽环境下稳态阶段不同位置处气体温度、蒸汽体积分数以及液滴垂直速
度进行了分析。稳态阶段，随着与喷嘴距离的增加，蒸汽体积分数表现为先降低后增加。
同一高度截面上容器中心温度最低，且距离喷嘴越远，截面温差越小。喷嘴附近的液滴
垂直速度与喷嘴距离呈对数分布。
关键词：喷淋液滴；混合特性；蒸发冷凝；数值模拟
有限空间内喷淋响应过程数值分析
Abstract
Themainfunctionofthecontainmentspraysystemistolimitthetemperatureandpressure
oftheinternalenvironmentofthecontainmentnottoexceedtheallowablelimitwhenthe
reactorloseswaterorthemainsteampipelinebreaks.Atthesametime,thesprayingprocess
willalsoaffectthegasmixingphenomenoninthecontainment,andthenaffectthepossibility
ofhydrogenexplosion.Thestudyonthedynamicandthermodynamiceffectsofsprayresponse
processinalimitedspaceishelpfultomastertheinfluencelawofsprayongasmixing
characteristicsandtherateofcoolinganddepressurizationinalimitedspaceenvironment,and
providereferenceforthedesignofspraysystem.
Inthispaper,computationalfluiddynamicssoftware