張乾熙梁棟

（1廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東 湛江524088；2中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州510006；3廣東省消防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510006）

引 言

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)潔凈的化石能源，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在美國(guó)，2009年天然氣在能源中的比重已達(dá)到25%，歐洲LNG市場(chǎng)近年雖然沒(méi)有大幅提升，但2013進(jìn)口量也多達(dá)4000萬(wàn)噸（包括再出口份額）。日趨嚴(yán)重的大氣污染使得中國(guó)加快發(fā)展清潔能源，天然氣在中國(guó)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境改善等方面的應(yīng)用價(jià)值得到進(jìn)一步重視。中國(guó)新建多個(gè)LNG接收站，2013年LNG進(jìn)口量較2012年增長(zhǎng)超過(guò)20%，到2015年，中國(guó)天然氣占一次能源消費(fèi)比重將提高到7.5%。液化天然氣是天然氣開(kāi)發(fā)利用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外已形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)，每年以平均8%的速度增長(zhǎng)［1］。與此同時(shí)，LNG在液化、儲(chǔ)運(yùn)和使用過(guò)程中的安全性也逐漸引起了人們的極大關(guān)注。一旦LNG發(fā)生泄漏，可以引起低溫凍傷、窒息等人員傷害，泄漏氣體達(dá)到燃燒極限時(shí)遇到點(diǎn)火源容易發(fā)生著火、爆炸事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。噴射泄漏在LNG泄漏事故中比較常見(jiàn)，由于其蒸汽本身無(wú)色無(wú)味，很難從感觀上判斷其泄漏擴(kuò)散范圍。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散進(jìn)行許多相關(guān)研究，常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型有積分模型、箱板模型、淺層模型和CFD模型等。其中一維積分模型是最早用于LNG泄露擴(kuò)散模擬，該類(lèi)模型有SLAB、 HEGADAS、 DEGADIS 等［2－4］， 且DEGADIS得到美國(guó)消防協(xié)會(huì)推薦。后來(lái)，Chan等［5－8］建 立 了 基 于 Navier－Stokes方 程 的 FEM3 模型，并對(duì)BURRO系列LNG泄漏實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究多集中在相關(guān)模型的應(yīng)用，如唐建峰等［9－14］采用積分模型對(duì)LNG垂直噴射連續(xù)泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。但是，鮮見(jiàn)對(duì)LNG在不同噴射泄漏速度和不同泄露環(huán)境下擴(kuò)散總體規(guī)律研究，而針對(duì)可見(jiàn)蒸汽云與濃度之間關(guān)系的研究均采用一維積分模型［15］，在精度和過(guò)程描述等方面有很大改進(jìn)空間。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，使用計(jì)算流體力學(xué) （CFD）來(lái)解決復(fù)雜的流體流動(dòng)問(wèn)題變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。CFD模型能夠有效模擬LNG泄漏擴(kuò)散，可用于液化天然氣蒸汽云分散在特定場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)分析。基于此，本文釆用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，以計(jì)算流體軟件ANSYS FLUENT 11.0為平臺(tái)，通過(guò)建立LNG噴射泄漏計(jì)算流體力學(xué)模型，對(duì)不同環(huán)境條件和噴射速度下的擴(kuò)散情形進(jìn)行數(shù)值模擬，得到LNG泄漏擴(kuò)散區(qū)域的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)。LNG溫度低，噴射泄漏會(huì)使周邊環(huán)境空氣中水蒸氣液化成可見(jiàn)蒸汽云。根據(jù)環(huán)境條件、溫度場(chǎng)分布和露點(diǎn)溫度，可得到可見(jiàn)蒸汽云區(qū)域范圍，并總結(jié)出可見(jiàn)蒸汽云區(qū)域范圍與爆炸下限區(qū)域范圍的函數(shù)關(guān)系。

1 LNG噴射泄漏數(shù)值模擬

1.1 LNG水平噴射計(jì)算域建模

現(xiàn)實(shí)中LNG噴射泄漏處在一個(gè)完全開(kāi)放的大氣邊界層中，但不可能對(duì)整個(gè)大氣邊界層的流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，更關(guān)心的是LNG噴口下風(fēng)向的風(fēng)場(chǎng)以及LNG蒸汽擴(kuò)散情況。同時(shí)，計(jì)算流域也不能設(shè)定太小，因?yàn)檫@不但會(huì)影響局部風(fēng)場(chǎng)和濃度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，而且會(huì)在計(jì)算流域邊界面上出現(xiàn)回流現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)算很難收斂。LNG噴射出口直徑取LNG儲(chǔ)罐常用泄壓閥出口直徑 （DN25mm），綜合文獻(xiàn)中對(duì)計(jì)算區(qū)域尺寸確定的研究結(jié)果，根據(jù)本研究對(duì)象的實(shí)際尺寸，選擇計(jì)算流域的長(zhǎng)和高分別為300m和32m，噴射出口水平高度為2m。在Fluent的前處理模塊ICEM中，建立幾何模型并劃分網(wǎng)格。計(jì)算網(wǎng)格的確定需經(jīng)過(guò)網(wǎng)格優(yōu)化和無(wú)差別計(jì)算，最終確定計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格總數(shù)為163822。

1.2 計(jì)算模型

LNG噴射泄漏后LNG蒸汽的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散率方程。這些方程統(tǒng)一可寫(xiě)成式 （1）的通用形式

1.3 邊界類(lèi)型指定

CFD流動(dòng)問(wèn)題的求解是將邊界線(xiàn)或邊界面上的數(shù)據(jù)外推擴(kuò)展到計(jì)算流域內(nèi)部的過(guò)程。邊界面類(lèi)型和邊界條件的設(shè)置如果不符合實(shí)際問(wèn)題或不合適，將導(dǎo)致CFD仿真計(jì)算失去模擬精度與可信度。因此，設(shè)置符合實(shí)際物理情況且合適的邊界條件非常關(guān)鍵。在本文建立的計(jì)算流域中，需要設(shè)定的邊界及邊界的類(lèi)型如表1所示。計(jì)算之前，首先應(yīng)當(dāng)求解穩(wěn)態(tài)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)風(fēng)場(chǎng)模擬可以驗(yàn)證計(jì)算流域尺寸設(shè)置是否合理，同時(shí)也有利于泄漏擴(kuò)散計(jì)算的收斂。對(duì)于風(fēng)入口面設(shè)置按平均風(fēng)速剖面，選擇指數(shù)方法計(jì)算，風(fēng)入口面平均風(fēng)剖面和湍流參數(shù)采用自編程序通過(guò)UDF接口同F(xiàn)luent連接。

1.4 LNG噴射泄漏模擬基礎(chǔ)條件

不同產(chǎn)地的天然氣成分略有差別，但LNG主要成分是甲烷。本文以甲烷為噴射泄漏的模擬對(duì)象，其主要物理性質(zhì)如表2［1］所示。

表1 LNG泄漏擴(kuò)散計(jì)算流域的邊界類(lèi)型Table 1 Boundary conditions

表2 甲烷物性參數(shù)Table 2 Gas properties

同時(shí)，本文對(duì)影響LNG噴射泄漏擴(kuò)散主要因素，如源項(xiàng)強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度等，分別取值模擬計(jì)算，其取值范圍如表3所示。

表3 變量取值Table 3 Varieties

2 LNG噴射泄漏數(shù)值計(jì)算結(jié)果

為研究LNG擴(kuò)散形態(tài)，計(jì)算得到溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及組分分布等結(jié)果。本文研究的主要目的是探討可見(jiàn)蒸汽云與爆炸下限擴(kuò)散范圍的關(guān)系。為此，本計(jì)算特意輸出不同計(jì)算條件下的組分濃度云圖和溫度云圖，以便談到兩者變化趨勢(shì)的規(guī)律及兩者的關(guān)系，為基于可見(jiàn)蒸汽云預(yù)測(cè)爆炸下限擴(kuò)散范圍提供計(jì)算基礎(chǔ)。

2.1 泄漏強(qiáng)度對(duì)泄漏擴(kuò)散的影響

保持環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速不變，通過(guò)改變LNG噴射泄漏強(qiáng)度，可以得到不同泄漏強(qiáng)度下的濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，如圖1和圖2所示。可以看出，隨噴射泄漏強(qiáng)度的增大，達(dá)到爆炸下限濃度的氣體擴(kuò)散范圍也逐漸向前推進(jìn)，低溫范圍也逐漸擴(kuò)大，兩者的變化規(guī)律具有較好的一致性。

圖2 4種噴射強(qiáng)度下甲烷溫度分布云圖Fig.2 Contours of temperature under 4release rates

2.2 環(huán)境溫度對(duì)泄漏擴(kuò)散的影響

保持LNG噴射泄漏速度、環(huán)境風(fēng)速不變，通過(guò)改變環(huán)境溫度，可以得到不同情形下的濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，隨環(huán)境溫度的升高，達(dá)到爆炸下限濃度的擴(kuò)散范圍逐漸收縮，低溫范圍也逐漸縮小。這主要因?yàn)?，環(huán)境溫度升高后，加快了低溫天然氣與空氣的換熱，從而加快了天然氣由重氣到輕氣的轉(zhuǎn)變速度，使之沿垂直方向的擴(kuò)散份額增加，從而減小了下風(fēng)向的擴(kuò)散距離。但在其濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化規(guī)律仍然保持很好的一致性。

2.3 環(huán)境風(fēng)速對(duì)泄漏擴(kuò)散的影響

保持LNG噴射泄漏速度、環(huán)境溫度不變，通過(guò)改變環(huán)境風(fēng)速，可以得到不同泄漏源強(qiáng)度下的濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯S環(huán)境風(fēng)速的升高，達(dá)到爆炸下限濃度的擴(kuò)散范圍不斷增大，低溫范圍也逐漸增大。這主要因?yàn)?，本文模擬的LNG噴射泄漏速度較大，環(huán)境風(fēng)速升高后，水平方向的擴(kuò)散份額增加，加大了低溫天然氣的傳播距離，濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化規(guī)律仍然保持很好的一致性。

圖3 4種環(huán)境溫度下甲烷濃度分布云圖Fig.3 Contours of mole fraction of CH4under 4 air temperatures

圖4 4種環(huán)境溫度下溫度分布云圖Fig.4 Contours of temperature under 4air temperatures

圖5 4種環(huán)境風(fēng)速下甲烷濃度分布云圖Fig.5 Contours of mole fraction of CH4under 4 average wind speed

3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)不同條件下LNG噴射泄漏擴(kuò)散情形數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)不同噴射泄漏擴(kuò)散情形下，泄漏擴(kuò)散的濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)是不同的。即使是泄漏源強(qiáng)度不變，環(huán)境因素改變后，濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)也會(huì)隨之改變。天然氣是無(wú)色無(wú)味氣體，這為事故救援，特別是隔離范圍的劃定增加難度。

圖6 4種環(huán)境風(fēng)速下溫度分布云圖Fig.6 Contours of temperature under 4average wind speed

在對(duì)上述模擬結(jié)果的分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)變化規(guī)律體現(xiàn)高度的一致性。LNG泄漏后，由于其本身的低溫特性 （111.7K），將冷卻周邊環(huán)境空氣并使其含濕量達(dá)到飽和，達(dá)到露點(diǎn)溫度 （Tdew）后，將產(chǎn)生可見(jiàn)蒸汽云。而露點(diǎn)溫度是環(huán)境溫度和相對(duì)濕度等因素的函數(shù)，可由經(jīng)驗(yàn)公式（2）得出［15］

計(jì)算出不同環(huán)境下的露點(diǎn)溫度，由溫度場(chǎng)分布可得出可見(jiàn)蒸汽云下風(fēng)向的擴(kuò)散距離Dcloud，將天然氣爆炸下限沿下風(fēng)向擴(kuò)散的距離DLFL與Dcloud的比值定義為系數(shù)f，即

對(duì)LNG噴射泄漏數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行整理分析，可得到不同空氣濕度下的DLFL與Dcloud值，根據(jù)式 （3）可得系數(shù)f在不同空氣濕度情況下的分布散點(diǎn)圖，如圖7所示。

從圖中可以看出，當(dāng)空氣相對(duì)濕度大于50%時(shí)，系數(shù)f取值約為1，即天然氣爆炸濃度下限擴(kuò)散范圍與可見(jiàn)蒸汽云基本一致。而當(dāng)空氣相對(duì)濕度處于10%～50%范圍時(shí)，經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，系數(shù)f與空氣相對(duì)濕度滿(mǎn)足以下關(guān)系

由式 （3）可知

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度已知時(shí)，則根據(jù)可見(jiàn)蒸汽云擴(kuò)散范圍，由式 （5）可直接估算出DLFL。

圖7 相對(duì)濕度對(duì)系數(shù)f的影響Fig.7 Relationship between fand relative air humidity

4 結(jié) 論

本文對(duì)LNG噴射泄漏擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)擴(kuò)散場(chǎng)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）CFD方法能夠用于LNG噴射泄漏擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模擬，并通過(guò)改變泄漏強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速和空氣相對(duì)濕度等，模擬LNG噴射泄漏的不同情形，發(fā)現(xiàn)泄漏擴(kuò)散場(chǎng)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)在不同泄漏情形下的變化趨勢(shì)是一致的。

（2）當(dāng)空氣相對(duì)濕度大于50%，天然氣爆炸濃度下限濃度擴(kuò)散距離與可見(jiàn)蒸汽云擴(kuò)散距離基本一致，當(dāng)空氣相對(duì)濕度處于10%～50%范圍時(shí)，天然氣爆炸濃度下限濃度擴(kuò)散距離與可見(jiàn)蒸汽云擴(kuò)散距離滿(mǎn)足一定函數(shù)關(guān)系。

（3）當(dāng)發(fā)生LNG噴射泄漏事故時(shí)，根據(jù)上述的函數(shù)關(guān)系和事故現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)蒸汽云擴(kuò)散距離，可迅速估算出天然氣蒸汽擴(kuò)散的范圍，這將有助于事故處理和消防救援。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Dcloud——可見(jiàn)蒸汽云沿下風(fēng)向擴(kuò)散距離，m

DLFL——天然氣爆炸濃度下限濃度擴(kuò)散距離，m

f——系數(shù)

HR——空氣相對(duì)濕度，%

Tdew——露點(diǎn)溫度，℃

下角標(biāo)

cloud——可見(jiàn)蒸汽云

LFL——天然氣爆炸濃度下限

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