通过交替命运计算验证哥特式室温分析

作者:Matthew Kennedy，核工程师和Sung Jin Lee博士，高级咨询工程师，Fauske & Associates, LLC

现代工程经常利用复杂的计算机建模作为帮助设计和分析的工具。数学表示，假设和数值方案通常仅被各个开发人员知道，并且对最终用户不容易透明。使用的潜在缺陷 fate_manual_vol_8 - 1. - jpg 由于提供了输出，而软件没有提供任何错误或警告信息，因此容易假设结果是准确的，因此产生了复杂的代码。事实上，这是工程师们最需要谨慎的一点，以确保他们完全理解潜在的物理学。这通常涉及使用替代软件工具进行独立验证、手工计算和专家评审。

最近，Fauske & Associates, LLC (FAI)支持了一个客户的要求，验证了在浮力主导的流动下的房间加热结果，该要求来自核工业中用于密封分析的标准代码(GOTHICTM，由电力研究所(EPRI)拥有和许可)。这是使用FAI公司内部开发的FATE(设施流、气溶胶、热和爆炸)软件包来预测设施内的环境条件。在设计和定位安全设备时，舱室环境条件的预测是一个重要的考虑因素。确保安全系统组件的设计和制造能够在预期的环境条件下生存是确保设施安全运行的关键第一步。

在核工业， GOTHIC是一种标准的工程工具，用于预测由于热源、散热器和进出隔间边界的流动的综合影响而在隔间内形成的环境条件。它包含许多有用的关联和特征来模拟浮力主导的流动。在通风损失情景分析中，为了预测关键部件所在的当地气体温度，对隔间进行了细分。当试图分析和使用结果来做出明智的决定时，这会带来很大的复杂性。当在哥特式中对一个体积进行子节点化时，必须解决的一个问题是:预测的结果是浮力驱动的流动，还是子隔间密度之间的微小数值差异产生了“幻影”流动?回答这个问题是至关重要的，当试图使用这些结果来进行预测和决定有关设施的安全运行。
FATE软件是在FAI的核质量保证计划下开发的，并得到了美国能源部(DOE)技术创新奖的认可，是一种灵活、快速运行的代码，能够为过程和设施的各种工程问题建模。它的设计目的是模拟设施内的传热和传质、流体流动和气溶胶行为，并已在广泛的应用中使用，从福岛核事故后的氢评估到能源部设施安全分析。该代码可以模拟常见的部件，如热交换器、泵、风扇、过滤器、阀门、阻尼器、吹出面板、降风口和破裂盘。它是一个独立开发的代码，包含了在设施中发生的流动和传热现象的替代模型，这使它成为独立验证从其他模型生成的结果的理想工具。

所分析的场景是一个环境预测，即具有大型热源(柴油发电机、泵、电机等)的设施隔间的瞬态温度，该设施隔间被激活以执行安全功能。在这种情况下，假设由于电力损失，舱室的所有强制通风都已失效。为了给舱室提供冷却，舱门被撑开，通过与相对较冷的外部环境的交流提供浮力驱动的流动。下面的列表提供了分析中包含的关键建模输入。除了隔间体积nodalization之外，模型在这个输入列表上基本上是相同的。总的舱室体积是相同的，但哥特式要求舱室体积进行子节点化，以最好地预测舱室内的温度分布和在开放边界条件下浮力驱动的流动，而FATE假定一个单一的舱室体积。

•室体积•边界流量面积（支撑开门）
•环境空气温度•初始隔间温度
•初始散热温度•结构散热器的面积和厚度

图1比较了两种模型预测的隔室中的平均气体温度。命运预测最大室温约为160倍，而哥特预测最大值约为150倍（基于较高温度的亚脱钙化体积）。通常，两种模型都显示出平均气体温度相同的一般趋势。温度的差异主要是归因于在瞬态的初始（门之前）部分的初始（门之前）部分的差异。在原始瞬态分析中，允许主热源（设备）在一段时间内从环境条件增加到全工作温度（线性斜坡）。为方便起见（快速转机）验证模型在此初始时间段期间简单地使用完全工作温度作为边界条件。因此，在瞬态的早期部分期间，预期的简化模型预期预测较高的平均气体温度。在图1中可以看出这种差异，并且在整个瞬态中仍然存在初始差异。值得注意的是，在模拟结束时，恒定的热负荷几乎与原始模型中的固定和可变热负荷几乎相同（大约2％），再次提供了两种模型预测相似热损失的进一步信心通过结构散热器和支撑开门。

图2描绘了通过大结构散热器移动的热波，例如隔室中的混凝土墙。正如预期的那样，结果表明，随着房间气体温度的增加，壁的内表面在温度下开始增加。随着瞬态进展，通过散热器的温度曲线发展。结果表明，温度梯度在24小时分析期间完全渗透到混凝土墙的外部。这与通过大型厚混凝土散热器的热传递的期望保持良好。

图3显示了在支撑开启的门处同时发生的单向和逆流的流量预测。正如预期的那样，由于问题的浮力驱动性质，跨越边界的流动是由逆流控制的。这两个程序对流动边界条件的处理有很大的不同。哥特式只模拟通过结点的单向流动;因此，对于自然对流，需要两个节点来保证正确的逆流流动。这种情况下的挑战来自于为每个结指定正确的损耗系数来模拟逆流。另一方面，FATE使用了一种已建立的和实验验证的逆流关系[爱泼斯坦，1988]。穿过边界的流动(通过打开的门)是主要的热损失机制;因此，气体温度的合理一致(图1)为两种模型给出一致的浮力驱动流动结果提供了信心。最初的计算报告没有包括诸如通过门的逆流强度或墙壁和天花板的热量损失的大小等细节。 The FATE results provide detailed accounting of heat flows and the relative importance of various heat removal paths and provide confidence in the GOTHIC calculation.

总之，FAI专家使用了一个独立的工具来验证房间升温结果，并提供了原始分析准确预测热量产生、浮力驱动流动和结构散热器的热损失的信心。这使得工程师能够适当地设计安全系统和部件，并支持操作，以便他们能够在非标称条件下对设施的安全运行做出明智的决定。