基于数值仿真的激光切割气溶胶收集优化研究

张永领; 薛云; 章航洲; 吴小江; 胡冬梅; 张成田; 陈戏三; 周艳民

doi:10.13832/j.jnpe.2024.080018

基于数值仿真的激光切割气溶胶收集优化研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080018

张永领^{1, 2,},
薛云¹,
章航洲^2, ,,
吴小江²,
胡冬梅²,
张成田²,
陈戏三^{2, 3},
周艳民¹

1.
哈尔滨工程大学核科学与技术学院，哈尔滨，150006
2.
中国核动力研究设计院，成都，610213
3.
四川省核设施退役及放射性废物治理工程实验室，成都，610213

详细信息

作者简介:
张永领（1987—），男，高级工程师，现主要从事核设施退役设计相关研究工作，E-mail: zhangyongling@npic.ac.cn

通讯作者:
章航洲，E-mail: zhanghznpic@npic.ac.cn

中图分类号: TL943
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出版历程
- 收稿日期: 2024-08-06
- 修回日期: 2024-11-07
- 刊出日期: 2025-08-15

Research on Optimization of Aerosol Collection Technology in Laser Cutting Based on Numerical Simulation

1.
College of Nuclear Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin, 150006, China
2.
Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China
3.
Sichuan Province Engineering Laboratory of Nuclear Facility Decommissioning and Radwaste Management, Chengdu, 610213, China

摘要

摘要: 核设施退役中涉核设备的切割与解体是必不可少的关键工艺，激光切割过程中产生的放射性气溶胶将对环境造成污染。本研究基于计算流体动力学（CFD）方法，使用离散相模型（DPM）针对激光切割作业过程产生的气溶胶流动行为开展仿真模拟，探究局部通风条件下集气罩角度和抽吸流量两种因素对气溶胶收集效率的影响，为实际激光切割作业场景下的气溶胶有效控制提供理论指导。研究结果表明，减小集气罩角度能够更有效地收集激光切割产生的气溶胶，同时增加抽吸流量也能够在较大程度上改善收集效率。因此，在实际作业中要选择风量较大和集气罩布置角度较小的方案进行布置。
- 激光切割 /
- 离散相模型（DPM） /
- 放射性气溶胶 /
- 收集效率；数值模拟
Abstract: In the decommissioning of nuclear facilities, the cutting and dismantling of nuclear-related equipment are indispensable key processes. However, the radioactive aerosols generated during laser cutting pose a risk of environmental contamination. This study is based on the computational fluid dynamics (CFD) method and utilizes the discrete phase model (DPM) to conduct a simulation of the flow behavior of aerosols produced during laser cutting operations. The study aims to investigate the impacts of two factors—namely, the angle of the air collection hood and the air extraction flow rate under local ventilation conditions—on aerosol collection efficiency, and to provide theoretical guidance for the effective suppression of aerosols in actual laser cutting scenarios. The results indicate that reducing the angle of the air collection hood can more efficiently capture aerosols generated by laser cutting, while increasing the suction flow rate can significantly enhance collection efficiency. Therefore, in practical operations, it is recommended to adopt configurations with a higher air volume and a smaller air collection hood angle.
- Laser cutting /
- Discrete phase model(DPM) /
- Radioactive aerosol /
- Collection efficiency, Numerical simulation

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图 1 计算模型气溶胶粒径谱

Figure 1. Aerosol Particle Size Spectrum of Calculation Model

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图 2 计算物理模型

Figure 2. Calculation Physical Model

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图 3 监测面位置图

Figure 3. Location Diagram of Monitoring Surface

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图 4 面均速度随网格数量的变化曲线

Figure 4. Curve of Surface Mean Velocity Variation with the Number of Grids

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图 5 集气罩角度30°的条件下气溶胶收集效率

Figure 5. Aerosol Collection Efficiency at an Air Collection Hood Angle of 30°

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图 6 作业面附近气溶胶运动轨迹

Figure 6. Aerosol Movement Trajectory Near the Operation Surface

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图 7 工况1、4、7气溶胶收集效率

Figure 7. Aerosol Collection Efficiency under Conditions 1, 4 and 7

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图 8 工况1、4、7气溶胶运动轨迹

Figure 8. Aerosol Movement Trajectory under Conditions 1, 4 and 7

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图 9 不同集气罩角度和抽吸流量下的气溶胶收集效率

Figure 9. Aerosol Collection Efficiency under Different Air Collection Hood Angles and Suction Flow Rates

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表 1 气溶胶收集计算工况表

Table 1. Calculation Conditions for Aerosol Collection

工况集气罩角度/（°）抽吸流量/（m³·h⁻¹）

1 30 3800
2 30 2000
3 30 1000
4 45 3800
5 45 2000
6 45 1000
7 60 3800
8 60 2000
9 60 1000

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参考文献(8)

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