基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法

本发明属于核工程安全及计算流体力学应用，具体涉及一种基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法。

背景技术：

1、核电厂为发电和供热提供清洁和可持续的能源。一直以来，核电厂的安全性及其严重事故的处理能力是主要关注点。例如三哩岛、切尔诺贝利和福岛核电站事故中，为保护环境免受放射性有害物质的安全壳建筑遭到了破坏。为了应对此类严重事故，设计了安全壳过滤排放系统，该系统通过向大气中排放部分气体来降低安全壳压力。其中放射性元素碘131则是在该系统中需要去除的主要产物，其释放到大气中，会对人体造成严重危害。

2、在过滤式安全壳通风系统（fcvs）中，文丘里洗涤器被广泛应用于去除排放空气中的有害放射性产物，特别是碘元素及其化合物（如元素碘、有机碘等），以防止这些物质释放到外部环境。因此，有必要深入研究文丘里洗涤器中碘的滞留现象，从而有效提高其去除效率。文丘里洗涤器采用减缩渐扩式喷嘴结构，便于在喉部注入洗涤溶液。空气中存在的有害放射性气体（主要包括元素碘、碘甲烷等有机碘形式）在流经文丘里洗涤器时，被洗涤溶液有效吸收。

3、目前，对于文丘里洗涤器除碘性能的评估主要依赖台架实验或简化的经验公式。虽然计算流体力学技术已应用于两相流模拟，但现有技术存在以下不足：现有cfd模拟多仅考虑气膜控制或简单的亨利定律平衡，忽略了液膜传质阻力，特别是在化学吸收过程中，液膜阻力对总传质速率影响显著。对于文丘里洗涤器内部难以获取局部区域的碘浓度梯度和反应速率分布，限制了设备的结构优化。

4、因此，开发一种能够耦合双膜传质理论与化学反应动力学的cfd数值模拟方法，对提高除碘效率预测精度、优化过滤式安全壳通风系统（fcvs）设计具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，该方法解决了现有cfd模拟中忽略液膜阻力及化学反应增强效应的问题，能够更真实地反映气液传质与反应耦合过程，从而得到更加准确的除碘效率分析结果，对文丘里管内气态碘去除特性分析具有重要意义

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，包括如下步骤：

4、步骤1：建立文丘里洗涤器计算域的简化几何模型，所述简化几何模型包括气体入口、液体吸入口、喉部混合区及扩散分离区；

5、该步骤中根据实际物理尺寸确定计算域边界，确保网格能够捕捉喉部高速射流及液滴破碎特征。

6、步骤2：对所述简化几何模型进行网格划分，并在喉部及气液接触区域进行局部网格加密，获得计算域网格模型。

7、步骤3：将步骤2划分好的文丘里洗涤器计算域网格模型导入流体力学软件。

8、步骤4：在流体力学软件中设置多相流模型及组分输运模型，并加载用户自定义函数（udf），

9、该udf包含基于双膜理论的传质速率方程及碘与硫代硫酸钠的化学反应动力学方程，其中控制方程形式为

10、(1)

11、—— 第相的体积分数；

12、—— 第相的密度，；

13、—— 第相的速度矢量，；

14、—— 从第相到第相的单位体积传质速率，；

15、—— 从第相到第相的单位体积传质速率，；

16、—— 第相的质量源项，。

17、其中从第

p相到第

q相的传质用表示，对于相的动量方程由(2)表示：

18、(2)

19、

p—— 压力，;

20、—— 第

q相内部的应力张量（剪切应力和法向应力），；

21、—— 重力加速度矢量，；

22、—— 界面曳力，由于相对运动产生的粘性阻力或形阻，（不包含质量传递带来的动量），；

23、—— 从第

p相转移到第

q相的质量流量，；

24、—— 相界面处的速度矢量，通常取为或，；

25、—— 第

q相的其他外部体积力源项（除重力、升力等以外），；

26、—— 第

q相受到的升力，；

27、—— 第

q相受到的壁面润滑力，；

28、—— 第

q相受到的虚拟质量力，；

29、—— 第

q受到的湍流扩散力，。

30、步骤5：在流体力学软件中，通过区域初始化赋值，对气体入口区域的碘蒸气质量分数进行设定，以生成含碘空气的初始浓度场；同时对液体吸入口区域的硫代硫酸钠溶液质量分数进行设定，以生成含吸收剂的洗涤液初始浓度场。为后续瞬态或稳态求解提供气液两相组分浓度的初始分布条件。

31、步骤6：在已建立的初始组分浓度场基础上，启动流体力学软件求解器，对动量方程、连续性方程、组分输运方程及能量方程进行耦合迭代求解；根据求解结果提取文丘里洗涤器内部气液两相的传质速率与碘质量分数分布，并依据气体入口与出口截面的碘质量流量差值计算系统的整体除碘效率。

32、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

33、1、本发明基于双膜理论建立了气液两相间的传质速率方程，同时考虑了气膜侧和液膜侧的传质阻力，克服了现有cfd模拟中简单将传质过程视为气膜控制而忽略液膜阻力的缺陷，使传质速率的预测更加准确。

34、2、本发明将碘与硫代硫酸钠的化学反应动力学方程通过自定义函数（udf）耦合至多相流求解器中，实现了化学反应对传质过程增强效应的精确描述，避免了依赖经验公式修正传质系数带来的误差。

35、3、本发明通过耦合求解动量方程、连续性方程、组分输运方程及能量方程，能够全面获取文丘里洗涤器内部气液两相的传质速率与碘质量分数分布，为深入理解文丘里洗涤器内碘的滞留机理提供可视化手段。

36、4、本发明能够精确预测不同工况（如不同气相流速、液气比、洗涤液浓度等）下文丘里洗涤器的气态碘去除效率，为核电厂安全壳过滤排放系统的设计优化提供可靠的理论依据。

1.一种基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，其特征在于，步骤4中所述基于气相分压的总传质系数按照以下方式确定：分别确定气膜传质系数和液膜传质系数，由气膜阻力与液膜阻力之和的倒数计算所述基于气相分压的总传质系数，即

3.根据权利要求1所述的基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，其特征在于，步骤6中所述能量方程包含因碘与硫代硫酸钠放热反应所产生的反应热源项，其中为碘与硫代硫酸钠反应的摩尔反应焓变；温度变化通过影响亨利常数和反应速率常数反馈至传质速率与化学反应速率的计算。

4.根据权利要求1所述的基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，其特征在于，步骤1中所述简化几何模型根据文丘里洗涤器的实际物理尺寸确定计算域边界，以确保所建模型能够捕捉喉部高速射流及液滴破碎特征。

5.根据权利要求1所述的基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，其特征在于，步骤2中所述网格划分采用六面体结构化网格。

6.根据权利要求1所述的基于双膜理论耦合化学反应动力学的文丘里洗涤器除碘效率数值模拟方法，其特征在于，所述方法用于核电厂安全壳过滤排放系统中文丘里洗涤器对气态碘去除效率的预测与评估。