气体注入系统的检漏系统中氚监测支路进气量的数值模拟及结构优化.pdf

利用计算流体力学分析软件ANSYSCFX，对气体注入系统的检漏系统中氛监测支路气体流量进行了数值模拟，发现在支管管径1/2 in且与主管夹角成90 的情况下，当主路流量为33m3h-时，支管进气量只有0.2354m-h-1，不满足0.36 3.6 mh-的设计要求。采取改变支管与主管之间的夹角和增大支管管径两种方式对支路结构进行了优化。优化后的结果显示，将支管内半径增大至6.9mm以上或减小支管与主管的夹角至30 以下均可使检漏管路满足各工况下的进气量要求。关键词：数值模拟；ANSYSCFX；支管进气量；结构优化中图分类号：TL62*6文献标志码：A1引言ITER计划旨在建造世界上第一座聚变反应实验堆，以验证磁约束受控核聚变的工程可行性和解决关键技术问题。其中，气体注入系统(GIS)负责向真空室、弹丸注入系统、中性束系统提供燃料气体和杂质气体，以满足等离子体实验运行、壁处理、放电终止和辐射冷却等需求。GIS由三个子系统组成，分别是气体分配系统(GDS)、气体加料系统(GFS)和聚变功率关闭系统(FPSS)。其中 GDS将来自氙工厂的气体经由专用的供气管分配至各加料阀门箱、弹丸注入阀门箱以及中性束阀门箱等。GDS需要输送含氙的燃料气体，而氙具有放射性，其泄漏会对人员安全造成危害，因此在ITER装置运行期间必须对含氙的供气管道进行泄漏监测。GIS设计有专门的检漏系统，在装置运行期间对氢同位素泄漏以及压力异常事件进行实时监测。根据氙安全防护的要求，含氙的供气管道需要设计二次包容层，以提高系统的安全性。GIS气体分配系统的所有供气管道由一根包容管包容起来，供气管和包容管之间的夹层空间内充入低于环境压力的氮气并维持连续流动。氙监测支路与汇集管道的夹层空间连通，对夹层空间的气体进行连续采样。如果含氙供气管道发生泄漏，泄漏出的氙在夹层空间内随着氮气流动并经过氙监测支路而被探测到。根据氙监测器件的技术指标，氙监测支路的流量需满足一定要求。本文对氙监测支路的进气流量进行了数值模拟并进行了结构优化，使其在不同工况下均能满足进气流量要求。2氙监测支路概述2.1氙监测器件的选择气体中氙的测量方法可以分为两类：1）在线测收稿日期：2 0 2 1-0 1-2 9；修订日期：2 0 2 3-0 3-0 8作者简介：郝郁(1995-)，女，河北石家庄人，硕士研究生，从事流体仿真模拟研究*通信作者：李伟(197 3-)，男，河南开封人，博士，研究员，从事聚变工程设计研究。170第43卷核聚变与等离子体物理量，利用电离室、正比计数器等实施；2）离线测量，包括现场累积取样和实验室液体闪烁计数器(LSC)测量两个步骤。考虑到装置的工作环境，本文选择电离室在线测量的方法。电离室工作在电离区，以气体作为探测介质，由两个处于不同电位的电极(高压极和收集极)构成，结构如图1所示2 。带电粒子进入电离室的灵敏区后，首先引起气体探测介质电离，然后电离产生的正离子及电子在电场力的作用下分别向两个电极漂移，并在输出电路上产生脉冲电信号，电离室测氙过程的原理如图2 所示。电离室内最终电离产生的离子对数目与入射的带电粒子的能量及强度成正比。/高压极K保护环C收集极图1电离室基本结构示意图射线-V电离信号输出图2电离室测氙原理示意图电离室工作时的饱和电流31，可表示为：ECV,eek1=(1)W式中，E=5.7keV为氙衰变产生的粒子的平均能量；C(Bq-m=3)为电离室内氙的浓度；Ve(m)为电离室的灵敏体积；e=1.610-1为1个电子所带电荷量；w为平均电离功率；为电离室内的能量沉积率；k为电离室内离子收集效率。通过测量饱和电流I的大小，可计算得到气体中氙的浓度。而电离室具有结构简单、可靠性高、可实时在线测量等优点，且氙浓度测量范围宽，因此广泛应用于气态氙的测量。为确保测氙的灵敏度、准确度，通常氙电离室工作在0.0 6 3.6 m-h-l的流量范围内。2.2GIS氙监测支路概述GIS气体分配系统包括两个气体汇集管道，分别为给加料阀门箱、弹丸注入阀门箱供气的气体加料汇集管道和给中性束注入阀门箱供气的中性束汇集管道。两个气体汇集管道各自配有独立的检漏系统，但两者的氙监测采用相同的结构设计。氮气从阀门箱注入，经旁路流入到汇集管道夹层空间，然后沿着汇集管道一直流向位于氙工厂的出口管道并接入到除氙系统中，如图3所示。通常情况下，气体加料汇集管道流向出口的氮气总流量范围为5178m.h-l，中性束汇集管道流向出口的氮气流量范围为35 53mh-。显然两个汇集管道的流量远大于氙电离室工作的最大流量，所以氙监测只能采用旁路采样的方式来进行。汇集管道气体储存和输运系统口氙监测支路氮气出口氨气入口阀门箱图3GIS汇集管道氮气流动示意图采样方式分为主动式采样和被动式采样。主动式采样采用采样泵从主管道抽取部分气体，其优点为流量可控可监测。然而，基于氙安全防护的要求，171郝郁等：气体注入系统的检漏测支路进气量的数值模拟及结构优化第2 期汇集管道的夹层空间还有最小压降的要求，采样泵的引入会大幅增加夹层压降，使其无法满足夹层压降的要求。经过综合考虑，优先考虑被动式采样。被动式采样即是利用气体在并联管路的自主分流来实现采样。其分流后进入支路的流量是否满足氙监测的要求有待分析。本文利用CFD软件ANSYSCFX来分析不同主管流量下氙监测支路中的流量是否满足测量要求。本系统中采用了TYNE公司10 0 0 cc的电离室作为氙监测器件，其气路为1/2 in的VCR(真空连接径向密封)接口，电离室腔体尺寸为4.5inx6.8in。本文中将氙电离室简化为相同尺寸的圆柱容器，并通过1/2 in的旁路管和DN50的出口管道并联，简化后的模型如图4所示。根据氙电离室对流量范围0.06123.6mh-l的要求，通常建议工作流量为0.6123.6mh-l。在本文模拟中，作为保守估计，认为旁路管流量介于0.36 3.6 m3h-l之间符合要求。主路中的流量范围一般在35 7 8 mh-l,考虑一定余量，模拟时采用33mh-作为正常工作流量下限。基于意外工况的考虑，增加了13mh-的流量作为参考。口X主管旁路管氛电离室出口图4简化后的模型图及其尺寸3分析结果3.1边界条件管路中的工作气体为氮气，采用2 5时氮气物理性质，如摩尔质量2 8 kg?moll、密度1.2 5kg-m-3、动力粘度=17.80510-PaS。边界条件采用质量流量进口，分别模拟在7 8mh-l、53mh-l、33mh-及13m-h-四种工况下的气体流动情况；由于不涉及传热，采用绝热边界；出口采用压力边界0 Pa，参考压力采用默认值1atm。3.2瑞流模型瑞流模型的选择和边界层网格的质量密切相关4。模拟中选用CFXSST流模型，它可以很好地预测高旋流、剪切流等复杂流态。经粗略估算，各工况下主管雷诺数列于表1中，可以看出，主管中Re均大于2 30 0，为瑞流态，最小工况时，主管中Re仅有58 94，为低雷诺数流。而支管中的Re无法确定。表1各工况下主管的Re工况/mh-178533313主管Re35368240321496358953.3网格划分在本研究中，针对网格划分，涉及到网格数量和边界层划分。采用高质量的边界层网格对于提高数值模拟精度具有较强意义4。进行网格数量确定时，选取支管进气量作为判断网格数量是否合适的参数。以53m.h-工况的无边界层为例，不断增加网格数量，当支管进气量不再明显变化时，选取此时的网格数作为后续研究基础。根据模拟结果，当网格数量大于18 万时，支管流量变化不再明显，则选取此时的网格尺寸5mm作为后续研究基础。关于边界层的划分，本文中使用SST模型进行计算，对于边界层网格，SST模型的Y+值最好接近1，通过Y+Plus计算器计算出不同结构不同入口流量下第一层边界层的高度，划分网格时进行设置即可。3.4准确性验证通常在数值模拟前，要对ANSYSCFX模拟的准确性进行验证。以图5所示的流体域为例，设置入口流量为18.4gs-l，工质为氮气，通过模拟其入172第43卷核聚变与等离子体物理口和出口的压降，与理论计算值做对比，来验证模拟准确性。54.76mmR=76mm424mm图5验证模拟准确性的模型及其尺寸沿程损失由达西-魏斯巴赫公式3 给出：(2)d2g式中，h为沿程损失系数；几为沿程阻力系数；1为管长；d为管径；v为有效截面上的平均流速局部损失为：h.=0(3)2gJ式中，为局部损失系数，查表知该模型的为0.183。由计算得在图5所示的流体域中总的压降损失为17.2 Pa，由CFX模拟得到的进出口压降为18.3Pa，误差为6.4%，在可接受范围内。误差有以下几方面来源：（1）在转弯处理论计算局部损失的时候，局部阻力系数由经验公式得来，存在一定误差；(2）流体在转弯处，由于内外侧压强差而形成漩涡，无法精确计算该处的速度，导致理论计算产生误差；（3）数值模拟由于网格、流模型等设置不同，也必然存在误差。因此，ANSYS CFX软件的数值模拟结果是相对准确的。3.5结果展示图4所示结构的支管流量模拟结果列于表2中。可以看到当主路流量为33mh-时，支管进气量只有0.2 354mh-l，不满足0.36 3.6 mhl的要求。为了实现氙监测，有必要对该结构进行优化。表2不同工况下的支管进气量工况/mh-!78533313支管进气量0.59440.39310.23540.08064亻优化方案4.1优化方案针对优化前的结构中氙监测支路进气量不足的情况，提出两种结构优化方案：第一种是增大支管管径，由于流量与管道截面积成正比，管道截面积越大，进气量相应也越大；第二种是减小支管与主管之间的夹角，目的是减小支管入口处的阻力，利用支管的倾斜角度对气体的流动方向起到导向作用。两种优化结构如图6 所示。在不同的参数下，对这两种优化结构设计的支路进气量进行了模拟。ab增大管径减小夹角0.75inch0.5inch45图6支管优化方案示意图4.2模拟结果4.2.1改变旁路管与主管夹角对流量的影响改变旁路管与主管之间的夹角(旁路管与主管之间的夹角)，然后进行仿真模拟，得到旁路管进气量折线图，如图7 所示。通过仿真模拟结果可以得到：随着旁路管与主管之间夹角的减小，旁路管进气量总体呈不断增大趋势。由图7 可知，当夹角由90 不断减小至2 0，四种流量工况下的旁路管进气量均增大，且大工况下旁路管进气量的增加更为明显。夹角为2 0 时的进气量虽然总体上比30 时173郝郁等：气体注入系统的检漏气量的数值模拟及结构优化川开第2 期要更大一些，但已没有明显区别，且由图7 可知夹角为30 时，33 7 8 m-h-工况下，氙监测支路进气量均在0.36 3.6 mh-的范围内，已经可以满足各工况下的旁路管进气量需求。0.49045300.3201-S./车0.20.1013335378主管流量/m-h-l图7改变夹角对旁路管进气量的影响通过改变旁路管与主管之间的夹角可以改善旁路管进气量的原因有：（1）旁路管与主管交界面积的改变；(2）旁路管与主管交界处局部阻力的变化。在建模软件里提取不同夹角下的旁路管与主管交界面积，得到的结果列于表3中。可以看出，受旁路管结构影响，当夹角越小时，两管交界面积越大，这就说明，主管中的气体在夹角较小时有更大的几率进入旁路管入口。表3各夹角下旁路管与主管交界面积夹角度数/9060453020交界面积/mm?82.495.2116.5164.8240.9分支管道示意图如图8 所示，分支管道3-1和3-2的局部阻力系数3 为：0,=-0.95(1-q)-q1.3 cot(180-0)/2-0.3+(0.4 0.1 m)/m -0.9(n/m)(4)-0.4g(1-q)(1+1/m)cot(180-0)/2,=-0.03(1-q)-0.35q+0.2g(1-q)(5)q=qu/qv3，m=A/A，n=d,/d,(6)其中，v、9v s 分别为流过管3和管1的流量；A、A,分别为管3和管1的截面积；d、d,分别为管3和管1的直径。由式(3)可知,若q、m和n一定,则当从90 减小到0 时，管道3-1的局部阻力系数31也呈减小趋势。所以，减小旁路管与主管的夹角，不仅增大了两管交界面积，也减小了该处的局部阻力系数，使得旁路管的气体流量增大。2图8分支管道示意图4.2.2增大旁路管管径对支管进气量的影响部分氙监测支管可使用的管路规格列于表4中。对不同旁路管管径r下的流体域进行仿真，得到的旁路管进气量图如图9所示。表4部分氙监测支管可用管路规格管路规格外径/mm内径/mm壁厚/mm0.5in12.7010.221.240.75in19.0515.751.65DN1017.1013.801.65lin25.4021.202.100.5r=5.11mmr=6.90mmr=7.87mm0.4r=10.60mm0.30.20.1013335378主管流量/m-h-l图9不同管径下的旁路管进气量174第43卷核聚变与等离子体物理由图9可知，增大旁路管管径对其进气量的改善有很大影响。随着管径的增大，旁路管进气量明显增大。相较于改变旁路管与主管之间夹角大小的方法，增大旁路管管径这一方案对改善小工况下的进气量效果明显。将管径增大至6.9mm时，3378mh-1工况下，氙监测支路进气量均在0.36 3.6mh-的范围内，进气量都可以满足设计要求。即使不慎出现了主管流量为13mh-的小工况情况，从模拟结果来看，氙监测支路的进气量也可以满足氙电离室要求的0.0 6 12 3.6 mh-的范围。5结论基于流体力学软件ANSYSCFX，利用SST瑞流模型,对GIS检漏系统氙监测支路的进气量进行了模拟，并对氙监测支路进行了结构优化，使得其进气量满足监测要求：(1）改变旁路管与主管之间的夹角和增大旁路管管径两种方法都可以明显提高支管进气量，并且相对于改变夹角，增大支管管径的方法对增加小工况下的旁路管进气量更为有效(2）改变夹角时，当支管与主管夹角减小至30 及以下可以满足所有工况下的旁路管流量要求；增大旁路管管径时，管内半径增大至6.9mm即可以满足所有工况下的流量要求。在实际加工中，可根据加工难度和接口、空间等要求进行选择。参考文献：1 Huang X M,Li W,et al.Leak detection design for ITERGIS gas fueling manifold.Fusion Engineering andDesign,2019,146:1769.2卢艳，王和义，黄宁，等电离室测氙技术研究进展.核电子学与探测技术,2 0 12,32(9)：10 32.3 彭述明，王和义氙化学与工艺学M北京：国防工业出版社,2 0 15:91.4孔珑工程流体力学M.北京：中国电力出版社，2014.5 李晓俊，袁寿其，潘中永，等离心泵边界层网格的实现及应用评价 农业工程学报，2 0 12,2 8(2 0)：7 0.Numerical simulation and structure optimization of air intakefor leak detection of manifold in gas injection systemHAO Yu,HUANG Xiang-mei,LIU Xi-gang,LI Bo,LI Wei(Southwestern Institute of Physics,Chengdu 610041)Abstract:Based on the computational fluid dynamics analysis software ANSYS CFX,the gas flow oftritium monitoring branch in leak detection system of gas injection system(GIS)is simulated.It is found that thebranch structure with half inches and 90 degrees cannot meet the demand of branch pipe air flow detection.Therefore,the structure is optimized by changing the angle between the bypass pipe and the main pipe orincreasing the diameter of the branch pipe.The optimized results show that increasing the inner radius of thebranch pipe to more than 6.9mm or reducing the included angle to less than 30 can make the leak detectionpipeline meet the requirements of air inlet under various working conditions.Key words:Numerical simulation;ANSYS CFX;Branch air flow;Structure optimization