核潜艇舱室污染物扩散过程的数值模拟研究报告

一、 研究作者与发表信息 本研究由严童童（西安交通大学能源与动力工程学院）、曹伟、周爱民（武汉第二船舶设计研究所）、张胜棋、蒲亮（西安交通大学能源与动力工程学院）共同完成。研究论文题为《核潜艇舱室内污染物扩散过程的数值模拟》，发表于《舰船科学技术》2024年第18期（9月），文章编号为1672–7649(2024)18–0035–09，具体发表日期为2024年9月。

二、 学术背景与研究目的 本研究隶属于舰船舱室环境控制与安全工程领域，具体聚焦于计算流体力学（CFD）在密闭复杂空间空气动力学与污染物迁移中的应用。 核潜艇在执行长期潜航任务时，其舱室是一个高度密闭且复杂的空间。在正常工作中，核反应堆可能发生微量有害气体（如氟化氢）和携带辐射的微小颗粒泄漏；同时，艇员的活动也会持续产生二氧化碳。这些污染物若不能及时有效排出或稀释，将在舱室内累积，严重威胁艇员健康与作战效能，并对潜艇安全构成潜在风险。因此，深入理解舱室内污染物（包括气体和颗粒物）在不同通风条件下的扩散规律，对优化核潜艇的舱室通风系统设计、保障艇内空气质量与人员安全具有至关重要的工程指导意义。 然而，已有研究多集中于普通建筑或交通工具（如客舱、车厢）的通风与污染物扩散，针对核潜艇这一特殊密闭环境，特别是结合有害气体与放射性颗粒物共同扩散特性的系统性研究相对较少。现有研究缺乏对不同通风结构下污染物分布规律的定量对比，对通风设计的指导有限。鉴于此，本研究旨在填补这一空白，通过数值模拟手段，达成以下具体目标：1) 探究不同通风结构（混合通风、置换通风、侧向通风）对核潜艇舱室内有害气体（以氟化氢和二氧化碳为代表）和微小颗粒（以PM2.5为代表）扩散特性与浓度分布的影响，并定量比较其稀释能力；2) 分析送风速度的变化对上述污染物扩散规律的影响，为通风系统参数的优化提供理论依据。

三、 研究详细工作流程 本研究采用了数值模拟作为核心研究方法，整个工作流程包含以下几个关键步骤：

1. 几何模型建立与简化： 研究以苏联941型弹道导弹核潜艇的总布置为参考，对实际复杂的舱室结构进行了合理的简化。模型构建了五个相连的舱室：天线舱、反应堆室、主耐压舱（左）、居住舱和主耐压舱（右），总长度为52米，每个舱室尺寸为10米（长）×10米（宽）×10米（高），舱间间隔0.5米。核反应堆被简化为一个直径3米、高4米的圆柱体，泄漏口设置在圆柱顶部中心，直径为0.5米。有害气体和颗粒物的泄漏源设定在反应堆室，而二氧化碳的释放源（模拟人员活动）设定在居住舱。这种简化在保证计算可行性的同时，抓住了影响污染物扩散的主要空间结构特征。

2. 控制方程与数学模型选择： 研究采用稳态计算，分别针对气体和颗粒物扩散采用了不同的数学模型。

   • 有害气体扩散模拟：采用组分输运模型（Species Transport Model）来模拟多种气体组分（空气、氟化氢、二氧化碳）的混合与输运过程。控制方程组包括连续性方程、动量方程（Navier-Stokes方程）、能量守恒方程以及组分输运方程。湍流模型选用标准的k-ε模型，以模拟舱室内复杂的湍流流动。这些方程共同构成了描述空气流动与气体浓度场耦合的数学模型基础。
   • 微小颗粒扩散模拟：采用离散相模型（DPM， Discrete Phase Model）。由于颗粒相（PM2.5）体积分数很低（小于10-12%），研究忽略了颗粒相对连续相（空气）流动的影响以及颗粒间的相互作用。在拉格朗日坐标系下追踪颗粒的运动轨迹，颗粒的运动被认为主要受流体曳力支配，其浓度输运方程在假设颗粒与当地气流速度一致的条件下得到了简化。

3. 参数设置与工况界定： 研究基于国家标准和潜艇运行实际情况设定了关键参数。根据《职业性接触毒物危害程度分级》，选取毒性Ⅱ级、密度小于空气的氟化氢作为反应堆泄漏有害气体的代表，选取毒性Ⅳ级、密度大于空气的二氧化碳作为人员活动产生气体的代表。标准工况界定如下：氟化氢泄漏速度为1×10⁻⁶ m/s；二氧化碳释放速率按每人0.01 g/s计算，模型中居住舱设定5人，总质量流率为5×10⁻⁵ kg/s；送风速度的基准值设为2 m/s；颗粒物参数参考PM2.5，直径2.5×10⁻⁶ m，入口速度2 m/s（y方向），质量流率8×10⁻⁶ kg/s。

4. 模型验证与网格无关性检验： 为确保数值模拟的可靠性，研究进行了两项前期验证工作。首先，模型验证：引用法国第三国立实验室（LET）关于置换通风系统的实验数据，在相同边界条件下进行模拟，将计算得到的温度场与实验测量点数据进行对比。结果显示，虽然计算值因考虑粘性耗散而略低于实验值，但整体趋势吻合良好，证明了所选数学模型的有效性。其次，网格无关性检验：生成了四套不同密度的网格（33万、55万、78万、96万网格），选取反应堆室（坐标：x=39 m， y=3 m， z=7 m）处的氟化氢浓度作为监测指标。对比发现，网格数从78万增至96万时，浓度计算结果变化已非常微小。综合计算精度与效率，最终选取78万网格进行所有后续计算。

5. 模拟方案设计与执行： 研究设计了两组主要的模拟方案：

   • 方案一：不同通风结构对比。在标准送风速度（2 m/s）下，设计了三种典型的单送单回通风方式：a) 混合通风：送风口和回风口均位于天花板，尺寸3m×3m；b) 置换通风：送风口位于天线舱右侧墙壁底部（3m×3m），回风口位于主耐压舱（右）左侧上方（3m×3m）；c) 侧向通风：两个送风口分别位于天线舱和主耐压舱（右）的侧壁（尺寸3m×1.5m），回风口位于主耐压舱（左）天花板中央（3m×3m）。对这三种结构分别进行气体和颗粒物的扩散模拟。
   • 方案二：不同送风速度影响。固定使用稀释效果较好的侧向通风结构，改变送风速度（2.0 m/s， 1.0 m/s， 0.5 m/s），研究风速对污染物扩散的影响。

6. 数据提取与分析方法： 模拟完成后，通过后处理提取和分析关键数据。对于气体浓度场，通过可视化云图观察整体分布，并定量提取各舱室中心线（z=7 m， x从0到52 m）在特定高度（如y=7 m）上的浓度分布曲线进行对比。对于颗粒物，除了观察运动轨迹图，还统计了全部646个示踪颗粒在不同高度平面（y=3 m， 5 m， 7 m， 9 m）上的停留数量占比，并计算了颗粒物从释放到被排出的平均停留时间。

四、 主要研究结果 模拟结果清晰地揭示了不同通风结构和风速对舱室内污染物扩散的影响规律。

1. 不同通风结构的对比结果：

   • 有害气体扩散：浓度场云图及中心线浓度曲线显示，三种通风结构均能稀释污染物，但效果差异显著。混合通风的气流循环均匀，对舱室高处的气体处理较好，但低处有害气体容易堆积，导致在人员活动高度（低处）的氟化氢和二氧化碳浓度较高。置换通风在送风口附近形成了较好的单向流动区，能将污染物推向舱室中上部，在人员呼吸区（中低处）浓度较低，但在远离开口的居住舱区域，污染物浓度仍相对较高。侧向通风表现最佳，两股侧向送风气流能有效地卷携污染物并分别导向回风口，气流路径清晰且混合较少，使得整个舱室空间内的有害气体浓度分布更为均匀且整体水平最低。在2 m/s送风速度下，侧向通风能将二氧化碳浓度降至1.4×10⁻⁵，氟化氢浓度降至5.5×10⁻⁷。
   • 微小颗粒扩散：颗粒物轨迹完全受气流场主导。侧向通风下，颗粒从反应堆释放后，主要被一侧送风引导，流经路径相对直接，平均停留时间为217秒。混合通风下，颗粒运动轨迹复杂，绕行多个舱室，平均停留时间最长，达387秒。置换通风下，颗粒停留时间最短，为142秒。从空间分布看，侧向通风的颗粒在反应堆室低处（y=3 m）浓度最高，占比约35%；混合通风的颗粒在反应堆室和主耐压舱（右）的低处大量聚集（分别占比50%和20%）；置换通风的颗粒分布相对均匀，在反应堆室高处也有较多分布。
   • 结论关联：基于气体和颗粒物的综合表现，研究判定侧向通风结构在稀释有害气体和缩短颗粒物滞留时间方面具有综合优势，因此将其选为进一步研究风速影响的基础结构。这体现了从多种方案中筛选出最优结构，再对其进行参数优化的逻辑递进关系。

2. 不同送风速度的影响结果（基于侧向通风结构）：

   • 有害气体扩散：提高送风速度能显著加速污染物的稀释和排出。当风速从0.5 m/s增加到2.0 m/s时，舱室低处的二氧化碳浓度从5.5×10⁻⁵大幅下降至1.4×10⁻⁵；中高处的氟化氢浓度从7.4×10⁻⁶下降至5.5×10⁻⁷。这表明增加通风量是降低舱室有害气体浓度的有效手段。
   • 微小颗粒扩散：风速增加同样缩短了颗粒物的停留时间，从低风速（0.5 m/s）下的520秒缩短至高风速（2.0 m/s）下的217秒。然而，一个重要的新发现是：风速的改变显著影响了颗粒物的空间分布。在低风速（0.5 m/s）下，颗粒物受泄漏口初始动量的影响更大，更多停留在反应堆室的高处（y=9 m处占比约32%）。而在高风速（2.0 m/s）下，强烈的侧向气流主导了颗粒运动，使其更多地被“压制”并停留在反应堆室的低处（y=3 m处占比约35%）。
   • 结果对结论的贡献：这一关于颗粒物分布随风速变化的发现至关重要。它表明，虽然提高风速能降低整体气体浓度和缩短颗粒物停留时间，但也可能导致颗粒物在人员活动高度（低处）的局部浓度占比增加，可能带来新的暴露风险。这一结果直接支撑了研究最终结论中关于“需综合考虑风速选择”的论点，避免了单一追求高风速的片面性。

五、 研究结论与价值 本研究通过系统的数值模拟，得出以下核心结论： 1. 在核潜艇舱室通风结构设计中，侧向通风相比传统的混合通风和置换通风展现出更优的综合性能，其对不同高度处的有害气体均有良好的稀释能力，且颗粒物停留时间较短。 2. 在侧向通风结构下，提高送风速度能有效降低舱内有毒气体（氟化氢）和代谢气体（二氧化碳）的浓度，并缩短微小颗粒物的整体滞留时间。 3. 然而，送风速度的提升存在一个需要权衡的问题：过高的风速虽然有利于整体稀释，但可能导致微小颗粒物在舱室低处（人员主要活动区域）聚集的比例增加（研究中高达35%），且可能引起人员不舒适感。因此，在实际的通风系统设计中，不能单纯追求最大风速，而需要在污染物清除效率、颗粒物空间分布以及人体舒适度之间寻求最佳平衡点。

本研究的科学价值在于，首次针对核潜艇这一特殊环境，系统耦合了气体组分输运和离散颗粒相模型，定量对比了不同通风方案下气体与颗粒物扩散的复杂行为，揭示了通风结构不仅影响整体浓度水平，还深刻改变着颗粒物的空间分布模式。其应用价值直接服务于核潜艇舱室环境控制系统的工程设计，为优化通风布局（推荐侧向通风形式）和科学设定通风参数（需权衡风速的利弊）提供了重要的理论依据和数据支持，对保障艇员健康、维持潜艇长期潜航能力具有现实意义。

六、 研究亮点 1. 研究对象与问题的特殊性：聚焦于核潜艇这一极端密闭且安全要求极高的军事装备内部环境，研究其特有的有害气体与放射性颗粒物耦合扩散问题，具有鲜明的工程应用背景和重要的国防安全意义。 2. 研究方法的系统性与对比性：不仅模拟单一工况，而是系统性地设计并对比了三种典型通风结构（混合、置换、侧向），并在此基础上进一步研究了关键操作参数（送风速度）的影响，形成了从结构优选到参数优化的完整研究链条。 3. 发现的重要现象：明确揭示了提高通风速度对气体和颗粒物扩散影响的差异性——即对气体浓度是单纯的降低作用，但对颗粒物却可能改变其空间分布，导致在低处聚集。这一发现对实际工程决策具有关键的警示和指导价值。 4. 模型的可靠性与细节：研究遵循了严谨的数值模拟规范，进行了详细的模型验证（与实验数据对比）和网格无关性检验，确保了计算结果的可靠性。同时，对几何模型的简化、边界条件的设定（如基于国家标准的污染物选择）都体现了结合实际工程需求的考量。

七、 其他有价值内容 研究在引言部分对国内外相关研究进行了梳理，指出了当前研究多集中于普通建筑或交通工具，对核潜艇内部污染物扩散规律的研究相对不足，从而清晰地定位了本研究的创新点和必要性。此外，文中对核潜艇舱室潜在污染源（反应堆微量泄漏、人员活动）的分析，以及对相关国家标准（如毒物危害分级）的引用，增强了研究的现实基础和规范性。参数设置部分对每人二氧化碳呼出量的计算、标准泄漏速度的引用，也体现了研究力求贴近实际工况的努力。