摘要:目前我國的職業(yè)病危害評價方法主要有檢查表法、類比法、定量分級法，還沒有通過建立數(shù)學(xué)模型對工作場所的職業(yè)病危害因素進行評價的方法。本研究在環(huán)保領(lǐng)域中的高斯模型的基礎(chǔ)上，針對工作場所有害氣體擴散的特點，建立有限空間內(nèi)有害因素擴散模型，并應(yīng)用于實際評價。

關(guān)鍵詞:擴散模型職業(yè)病危害評價

1 引言

目前全國有毒有害企業(yè)已超過1600萬家，受到各種職業(yè)病危害的人群已超過兩億。我國職業(yè)病危害的接觸人數(shù)、職業(yè)病新發(fā)病例數(shù)、累計病例數(shù)和死亡病例數(shù)均居世界首位。為了促使用人單位主動防治職業(yè)病，提高職業(yè)衛(wèi)生管理水平，我國開展了職業(yè)衛(wèi)生評價工作。

在評價方法的選擇上，根據(jù)2002年衛(wèi)生部頒布的《職業(yè)病危害評價規(guī)范》，建設(shè)項目職業(yè)病危害評價采用檢查表法、類比法與定量分級法相結(jié)合的應(yīng)用原則進行定量和定性評價。但檢查表法需事先編制大量的檢查表，工作量大而且比較籠統(tǒng)，不能定量評定危害程度或防治的效果。類比法進行評價時，由于沒有明確定義同類建設(shè)單位，較難選擇類比企業(yè)，并且選址、總平面布置、職業(yè)衛(wèi)生防護措施類比性較差。定量分級方法都必須以已有的相同或相似企業(yè)的檢測數(shù)據(jù)作為評價的依據(jù)，當(dāng)沒有合適的測試數(shù)據(jù)作參考時，定量評價就無法實現(xiàn)。為了更好的掌握工作場所有害氣體的擴散規(guī)律，更全面的對各種有害因素進行分析，更有效的進行職業(yè)病危害評價工作，對于工作場所有害氣體的擴散問題，應(yīng)研究一種定量的數(shù)學(xué)模型模型并應(yīng)用到具體的評價工作中去。本文根據(jù)氣體擴散定律，對氣體介質(zhì)在有限空間內(nèi)的擴散問題進行研究并建立模型，并應(yīng)用fluent軟件對其進行模擬。

2有害氣體擴散模型

對擴散模型的建立必須是建立在對有害氣體擴散過程的研究基礎(chǔ)上的。通過對擴散過程中的各種條件進行分析，并根據(jù)研究目的對擴散過程進行假設(shè)來完成模型的建立。

2.1 模型的建立

根據(jù)能量守恒定律微分形式，利用:(1)

本文主要研究的在有限空間發(fā)生的常規(guī)擴散，釋放源假定為連續(xù)源，切假定定泄放時間較長，氣體的泄放流量Q視為常數(shù)，所以可以認為擴散是定常的，并且忽略有害氣體與空氣的溫度差異，所以更進一步假設(shè):

(2)

根據(jù)上述假設(shè)條件，對泄放氣體的擴散進行動

量平衡、質(zhì)量平衡分析，可以推導(dǎo)出有害氣體在室內(nèi)湍流擴散的控制方程，如下:

連續(xù)性方程: (3)

濃度變化的湍流擴散微分方程: (4)

式中:ui(i=1，2，3)為在x，y，z坐標軸方向上的分量，m/s;Ei(i=1，2，3)為在x，y，z坐標軸方向上的湍流擴散系數(shù)，m/s;c為有害氣體擴散的濃度，kg/m3;t 為擴散時間，s。湍流擴散系數(shù)可通過Pasquill-Gifford擴散曲線進行估算。

2.2 模型的簡化

當(dāng)有害氣體在室內(nèi)擴散到一定時間時，擴散流場達到穩(wěn)定，擴散空間內(nèi)的某一點的濃度是恒定的。

根據(jù)上述假設(shè)條件，在室內(nèi)空氣靜止情況下(u=0)，式(4)可以簡化為:

(5)

初始條件:t=0，c→∞;固定壁面邊界條件:x，y，z→∞，c→0 。對式(5)求解，得到有害氣體在室內(nèi)無風(fēng)條件下擴散濃度場分布的公式:

(6)

若室內(nèi)有風(fēng)場時，由于風(fēng)場的作用遠遠大于分子的擴散作用，所以式(4)可以簡化為:

(7)

其初始條件和固定壁面條件和(5)相同，對式(7)進行求解，可以得出有害氣體在室內(nèi)通風(fēng)條件下擴散濃度場分布的計算公式:

(8)

3 有害氣體擴散的模擬實例

有害氣體的擴散可以認為是自由射流。自由射流過程是有害氣體與周圍空氣進行動量和質(zhì)量的交換過程，也是有害氣體與周圍空氣的混合過程。本文采用CFD軟件FLUENT對有害氣體的擴散過程進行模擬。

3.1 幾何模型和數(shù)學(xué)模型

某廠建浴車間存在甲醛泄漏擴散問題，該建浴車間的平面幾何模型如下圖1所示:

圖1 幾何平面圖

3.2 邊界條件

建浴車間的溫度恒定，設(shè)定為300 K，車間中只有盛放甲醛的容器為釋放源，假設(shè)其釋放強度為0.1kg/s，且不隨時間變化，其它壁面無甲醛釋放。對其邊界條件設(shè)置如下:

甲醛容器:質(zhì)量進口(mass flow inlet)，0.1kg/s

窗:上風(fēng)向速度入口(velocity inlet)，1m/s

門:壓力出口(pressure outlet)，默認值

溫度:300k

3.3 模型模擬

本文采用標準的k-ε模型，利用組分輸運模式，在如上所設(shè)定的邊界條件下，對甲醛在建浴車間中擴散的速度、濃度情況進行模擬。按照幾何模型及邊界條件的設(shè)定，對模擬結(jié)果分析如下:

3.3.1 收斂性與穩(wěn)定性

計算過程中出口處平均速度和殘差的收斂情況都比較理想，圖2和圖3分別為出口(門)的平均速度收斂曲線和迭代過程中的殘差變化曲線，由圖知在迭代120次后，速度達到穩(wěn)定，殘差收斂標準為1e-5。

3.3.2 甲醛的濃度分布

甲醛的濃度分布是模擬計算中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上對甲醛擴散的現(xiàn)狀進行評價，并制定相應(yīng)的預(yù)防甲醛中毒以及現(xiàn)場應(yīng)急救援的措施。甲醛的濃度分布如圖4所示。

由濃度分布圖可知，車間內(nèi)甲醛的最高摩爾濃度為1.45×10-3kmol/m3，即43.5mg/m3。根據(jù)工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素(GBZ 2.1-2007)的規(guī)定，甲醛的最高容許濃度為0.5 mg/m3。由此可見，本車間的甲醛濃度遠遠高于國家標準規(guī)定，急需要采取措施進行整改。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)學(xué)建模的方式對有害氣體有限空間內(nèi)穩(wěn)定擴散的速度和濃度進行估計和模擬，根據(jù)擴

散時的通風(fēng)情況和泄漏量的變化，確定有害氣體擴散的速度和濃度分布情況。通過數(shù)學(xué)模型的方式對有害氣體的擴散進行模擬可以方便、有效的獲得擴散物質(zhì)的濃度，為職業(yè)病危害評價工作提供了一種新的思路，可以作為職業(yè)病危害評價的輔助方法。

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作者簡介:

趙晶(1985- )，女(漢族)，內(nèi)蒙古赤峰市人，2007年1月畢業(yè)于首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)安全工程系，同年9月免試保送到該校安全工程系為碩士研究生，已發(fā)表論文2篇，目前研究方向為氣體泄漏擴散及仿真。

基金項目:

首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)研究生科技創(chuàng)新資助項目