水下射流条件下气溶胶池净化特性的数值模拟

《Progress in Nuclear Energy》：Numerical simulation of aerosol pool scrubbing characteristics under submerged jetting

　　摘要：本研究基于双欧拉模型，探讨了水下空气射流的流动与净化特性。采用流体体积法（VOF）来追踪界面并分析射流形成过程中的形态变化。同时引入离散相模型（DPM）来模拟气相中离散相的运动，并编写自定义函数程序，筛选出与液相接触且体积分数为0.5的颗粒，进而统计其数量以计算净化效率。通过模拟不同载气流量、浸没深度以及气溶胶入口浓度条件下的气溶胶净化效果，系统研究了喷嘴入射角对气溶胶净化效率的影响。该研究可为放射性物质捕获与过滤排放系统的优化提供参考，对于制定核电站严重事故的缓解措施具有重要意义。

引言：作为一种新兴能源，核能因其占地面积小且在能量转换过程中不受自然条件影响的特点，正在全球范围内得到积极发展（Guidi等人，2023；Wang等人，2024；Hou等人，2024）。在推进核能发展的同时，安全问题必须置于首位。历史上的核事故教训表明，核安全是该行业发展的根本保障（Konoplev，2022；Yin等人，2024；Hou等人，2025；Xia等人，2026）。在核心熔毁事故中，熔融燃料释放出的裂变产物可能在压力容器失效后进入安全壳，形成放射性气溶胶（Zhu，2000；Zhao等人，2026）。这些气溶胶可能源自核反应堆碎片的分裂或裂变产物蒸汽的凝结（Lewis和Lewis，1979；Chen等人，2023；Wu等人，2024；Wu等人，2025；Chen等人）。作为重要的放射性源项，气溶胶在核电站事故的辐射后果评估中备受关注。为减少严重事故条件下放射性气溶胶从安全壳中的释放，池式净化技术被广泛认为是有效的措施。该技术通过将含有气溶胶的气体注入水中，利用复杂的气液相互作用实现气溶胶的去除。因此，深入理解水下气体注入（或气泡上升）的流体力学特性及其对气溶胶传输和捕获机制的影响，对于优化净化系统性能至关重要。早期关于水中气泡行为的研究主要聚焦于非常小的气泡，以确定斯托克斯区范围，随后逐渐扩展到更大尺寸的气泡（Chen等人，2024、2025、2026；Zhou等人，2025）。例如，Clift（Clift等人，2005）观察到直径小于0.13 - 0.18厘米的气泡呈直线运动，而较大气泡则呈现螺旋或之字形轨迹。Ellingsen（Ellingsen和RISSO，2001）和Legendre（Legendre等人，2012）分别对孤立气泡的运动和变形进行了深入研究，而Magnaudet和Eames（2000）以及Risso（Risso，2000）的综述则提供了更全面的了解。当孔口气体流速进一步增加时，气泡上升状态会转变为喷射状态。Hoefele和Brimacombe（Hoefele和Brimacombe，1979）根据气泡的“脉动”特性和喷射流的“稳定”特征区分了这两种状态。对于水下射流，Kennedy和Collier（Kennedy和Collier，1974）、Harby等人（2014）以及Nan等人（2022）分别研究了其在高压下的结构特性、膨胀规律以及超音速条件下的瞬态和稳态特性。然而，这些早期研究大多聚焦于孤立气泡或单相射流，对于水下两相射流的详细界面动力学研究还较为不足。关于水下射流/气泡上升条件下的气溶胶去除，早期研究主要是在20世纪80年代和90年代进行的一系列池式净化实验。Suzuki等人（Suzuki Osakabe等人，2016）证实了温度（尤其是接近沸点时）对去除效率的显著影响。Ma等人（2022）研究了气泡大小和上升速度对单个气泡中气溶胶沉积的影响，确定了最具穿透力的颗粒尺寸范围。Pitois（Pitois等人，2012）通过改变注入流速和喷嘴尺寸，研究了不同流动状态下碘化铯气溶胶的去除能力。人们利用韦伯数来描述气体流速和喷嘴尺寸对气溶胶去除的影响；在喷射状态下，更大的惯性冲击力和界面面积使得净化效率更高且持续上升。Herranz（Herranz等人，2023）基于2016年之前的实验数据，分析了注入深度、颗粒大小、气体流速和蒸汽分数对去污因子的影响趋势。不过Herranz指出，由于这些因素还与其他变量密切相关，因此难以建立稳定的关联关系。Ma（Ma等人，2024）认为在恒定的热工水力条件下，惯性冲击力和液面效应是主要的气溶胶去除机制。当这些参数发生变化时，热泳作用和扩散泳作用会受到主要机制的制约，同时也在研究不同池温对热泳作用和扩散泳作用的影响。Li YX（Li等人，2023）和Li YZ（Li，2022）研究了不同流动状态下去污因子的变化情况。他们发现，在喷射状态下去污因子随气体流速增加而上升，但在气泡上升状态下则随流速增加而下降。尽管有这些宝贵的研究成果，但由于受到多种参数的强烈影响，至今仍难以建立稳定的关联关系，而且喷嘴几何形状（尤其是注入角度）的影响也鲜有研究。与实验相比，计算流体力学（CFD）在时间和成本方面更具优势，尤其适用于大型或复杂的系统。但需要注意的是，涉及大量气泡的大规模CFD模拟在计算上仍然具有挑战性，这就促使人们使用具有代表性的单射流系统来进行机理研究。例如，Li（Fan，1999）、Pan（Pan等人，2020）、Sun（2021）和Xu（Xu等人，2013）运用VOF - DPM等方法，对气液固流化床中的气泡上升、单气泡净化过程、球形气泡群对颗粒的去污作用以及颗粒对气泡上升动态的影响等方面进行了详细的数值模拟，揭示了流体力学与颗粒行为之间的关联。然而，迄今为止大多数数值研究都集中在理想化的气泡群或单个气泡上，对于实际喷嘴配置和射流角度的研究相对较少。尽管已有上述研究，但随着研究重点从宏观尺度转向微观尺度，通过实验手段观察上升气泡内部尤其是微米级颗粒的局部运动仍然面临巨大挑战。在实验研究中，将气溶胶的瞬态传输与气泡的瞬时动态联系起来十分困难，而且准确检测和计数单个气溶胶颗粒的成本也很高。因此，运用CFD方法分析上升气泡内的气溶胶传输至关重要。尽管取得了上述进展，但仍存在若干关键缺陷。首先，尚未系统研究喷嘴注入角度对净化性能的影响，尤其是在水流结构和壁面相互作用至关重要的水下射流条件下。其次，大多数现有的CFD研究都聚焦于单个气泡或理想化的几何形状，缺乏对喷嘴设计的实际指导。为弥补这些缺陷，本研究引入了耦合的VOF - DPM模型，用于模拟水下射流条件下的气溶胶净化过程，特别着重研究了射流角度的影响。其主要贡献包括：（1）证明45°的注入角度能够在净化效率与喷嘴磨损和池体侵蚀等工程限制之间实现最佳平衡；（2）量化了气体质量通量对颗粒去除的影响；（3）从机理层面阐明了较大角度下的科安达效应和壁面附着现象。在此基础上，本研究利用商业CFD软件ANSYS Fluent对水下空气射流净化过程进行了全流程的数值模拟。在该研究基于两流体模型框架，运用VOF模型追踪气液界面的演变，同时结合DPM模型模拟气相中离散相（TiO2颗粒）的运动。此外还编写了自定义函数程序，用于统计与液相接触的颗粒数量，从而计算净化效率。本文系统研究了在不同载气流量、浸没深度以及气溶胶入口浓度条件下，喷嘴入射角对气溶胶去除效率的影响。该研究结果可为放射性物质捕获与过滤排放系统的优化提供参考，对于制定核电站严重事故的缓解措施具有重大意义。

数值模型与方法：本研究采用耦合的流体体积法（VOF）和离散相模型（DPM）方法，来模拟水下射流净化过程中的多相流和气溶胶传输现象。VOF模型是一种欧拉算法，用于追踪不相容流体界面（如气液界面）。它通过求解一组动量方程，追踪整个域内每种流体的体积分数，从而能够精确捕捉界面的变形、气泡的破裂与聚合现象（Xu等人）。

网格独立性研究：为了确保数值结果不会因网格分辨率的不同而出现偏差，本研究采用了五种不同的网格密度（100万、200万、300万、400万和500万单元格）进行了网格独立性研究。研究选择了两种具有代表性的运行工况：一种为低气体质量通量工况（0.1千克/平方米·秒，喷嘴直径80毫米），在此工况下计算了气泡的直径及其脱离后的上升速度；另一种为高气体质量通量工况（800千克/平方米·秒，喷嘴直径10毫米），在此工况下计算了射流的穿透距离及出口速度。

水下射流的动态不稳定性分析：水平方向的水下射流在从以动量为主导的状态向以浮力为主导的状态转变过程中会出现流动不稳定性。为了进行定量分析，以喷嘴出口中心为原点建立了坐标系。图6展示了射流的边界，并将其用于特征描述，其中L表示射流的传播距离，W表示其结构宽度。图7则显示了在t = 0.0451秒时，射流的上边界、下边界以及总宽度W的瞬态变化情况。

结论与展望：（1）在浸没深度保持不变的情况下，增加空气质量通量可直接提升净化效率。其作用机制在于：更高的气体动能会增强气液相互作用，促进气泡的破裂与聚合，同时增加气液接触面积，从而提高气溶胶的拦截和捕获效率。此外，气体在液体中的穿透距离和停留时间的增加，也有助于提高颗粒通过重力沉降和惯性作用被去除的概率。

作者贡献声明：Weichao Li负责方法论设计和项目管理；Qifeng Lin负责原始稿件的撰写；Zhongyuan Wang负责数据整理和正式分析；Yandong Hou负责项目管理和监督工作；Bowen Chen负责监督；Chuntian Gao也负责监督工作。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号52306189）的资助。

Weichao Li|Qifeng Lin|Zhongyuan Wang|Yandong Hou|Bowen Chen|Chuntian Gao
中国吉林省吉林市东北电力大学能源与动力工程学院，邮编132012