大直径球罐内液体闪烁体和超纯水置换数值模拟

赵宏伟; 董瑞; 李俊杰; 欧阳峥嵘; 衡月昆

doi:10.13832/j.jnpe.2024.02.0225

大直径球罐内液体闪烁体和超纯水置换数值模拟

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.02.0225

赵宏伟^{1, 2,},
董瑞³,
李俊杰^{1, 2, ,},
欧阳峥嵘⁴,
衡月昆⁵

1.
中国科学技术大学，合肥，230026
2.
中国科学院合肥物质科学研究院，合肥，230031
3.
中核第四研究设计工程有限公司，石家庄，050021
4.
上海科技大学，上海，201210
5.
中国科学院高能物理研究所，北京，100049

详细信息

作者简介:
赵宏伟（1982—），男，高级工程师，现主要从事低温系统集成研究设计，E-mail: hongwei4290@126.com

通讯作者:
李俊杰，E-mail: lijj@hfcas.ac.cn

中图分类号: TL334
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出版历程
- 收稿日期: 2023-05-15
- 修回日期: 2023-06-29
- 刊出日期: 2024-04-12

Numerical Simulation of Displacement Process of Liquid Scintillator and Ultrapure Water in a Large Diameter Spherical Tank

Zhao Hongwei^{1, 2
,},
Dong Rui³,
Li Junjie^{1, 2
, ,},
Ouyang Zhengrong⁴,
Heng Yuekun⁵

1.
University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China
2.
Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei, 230031, China
3.
The Fourth Research and Design Engineering Corporation of CNNC, Shijiazhuang, 050021, China
4.
ShanghaiTech University, Shanghai, 201210, China
5.
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China

摘要

摘要: 中微子实验装置一方面需要屏蔽大量的宇宙射线和来自岩石、空气、灰尘的天然放射性；另一方面需要尽可能降低实验设施自身的放射性本底。本文利用计算流体动力学（CFD）软件模拟研究了中心探测器（大直径球罐）内液体闪烁体（简称液闪）和超纯水的置换过程，分析水中的放射性杂质进入液闪的情况，研究自然对流对置换过程中液闪本底的影响。通过模拟无自然对流和有自然对流2种工况，得到2种工况下液闪和水的相态与流态分布以及相含量随时间的变化情况，提取出相界面处竖直向上速度，并计算得出截面向上总流量，以判断自然对流对置换过程的影响。结果表明：在有自然对流工况下液闪向上的平均体积流量是小于无自然对流状态的，可知自然对流可以抑制水中放射性杂质进入液闪。
- 大直径球罐 /
- 计算流体动力学（CFD） /
- 置换 /
- 自然对流
Abstract: On the one hand, the Neutrino experimental facility needs to shield a lot of cosmic rays and natural radioactivity from rocks, air and dust. On the other hand, it is necessary to reduce the radioactive background of the experimental facility as much as possible. In this paper, the displacement process of liquid scinulator (liquid flash) and ultrapure water in the central detector (large-diameter spherical tank) is studied by CFD simulation. The situation of radioactive impurities in the water entering the liquid scinulator is analyzed, and the effect of natural convection on the liquid flash background during the displacement is studied. By simulating the two conditions of "no natural convection" and "with natural convection", the phase and flow distribution under the two different conditions was obtained, and the changes in the phase content with time are also obtained. The vertical upward velocity at the phase interface was extracted, and the total upward flow of the section was calculated to judge the influence of natural convection on the displacement process. The results show that the upward average volume flow of the liquid scintillator in the natural convection is less than that under the condition of no natural convection, which shows that natural convection can inhibit radioactive impurities from entering the liquid scintillator.
- Large diameter spherical tank /
- CFD /
- Displacement /
- Natural convection

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图 1 中心探测器模型示意图　m

Figure 1. Schematic Diagram of the Center Detector

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图 2 轴面相界面处流线分布

Figure 2. Streamline Distribution of Axial Surface at Phase Interface

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图 3 液闪体积分数随时间的变化曲线

Figure 3. Variation Curve of Liquid Scintillator Volume Fraction with Time

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图 4 不同水平截面液闪体积分数随高度的变化曲线

Figure 4. Variation Curve of Liquid Scintillator Volume Fraction with Height at Different Horizontal Cross-Sections

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图 5 不同水平截面总体积流量随高度的变化

Figure 5. Variation of Total Volume Flow Rate with Height at Different Horizontal Cross-sections

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图 6 不同水平截面水和液闪的平均体积流量随不同水平截面高度的变化曲线

Figure 6. Variation of Average Volume Flow Rates of Water and Liquid Scintillator with Height at Different Horizontal Cross-sections

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表 1 球形中心探测器尺寸

Table 1. Size of Spherical Center Detector

名称	进液管	中心探测器	出液管
内径/m	0.8	35.4	1.0
容积/m³	1.01	23228	48.77

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表 2 液闪属性参数

Table 2. Properties of Liquid Scintillator

密度/ (kg·m⁻³)	导热系数/ [W·(m·K)⁻¹]	比热容/ [J·(kg·K)⁻¹]	黏度/ [(kg·m)·s⁻¹]	体积膨胀系数/K⁻¹
856	0.1426	2304	4.012×10⁻³	8.9×10⁻⁴

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表 3 不同工况设置

Table 3. Settings of Different Operating Conditions

工况设置	工况一（无自然对流）	工况二（有自然对流）
相的数量	两相	两相
初始液闪体积分数	0	0
液闪密度/(kg·m⁻³)	不变	变化
入口温度/℃	24	24
球壁面温度/℃	24	20~22.74
计算工况	瞬态	瞬态

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