氯氣泄漏擴(kuò)散影響因素的數(shù)值模擬研究

何友龍

(江西省公安消防總隊(duì))

摘要：基于FLUENT的物質(zhì)傳輸模型建立氯氣泄漏擴(kuò)散模型，針對(duì)不同泄漏速率、外界風(fēng)速、障礙物類型等對(duì)氯氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，泄漏速率較大時(shí)，重氣效應(yīng)明顯增大，下風(fēng)向形成的高濃度區(qū)增大；外界風(fēng)速對(duì)重氣擴(kuò)散濃度和擴(kuò)散危險(xiǎn)性區(qū)域有很大影響，風(fēng)速較大時(shí)，重氣云在下風(fēng)向的擴(kuò)散速率增大，在水平側(cè)風(fēng)向的擴(kuò)散速率減小，在泄漏源和障礙物附近的停留時(shí)間減少，形成的危險(xiǎn)區(qū)域較小；不同的地表?xiàng)l件是影響重氣擴(kuò)散的重要因素。

關(guān)鍵詞：障礙物氯氣擴(kuò)散數(shù)值模擬泄漏速率風(fēng)速

化工生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中涉及各種類型的易燃易爆、有毒有害的危險(xiǎn)物質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏事故，將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)消防官兵的人身安全也會(huì)造成威脅。在實(shí)際發(fā)生的重氣泄漏擴(kuò)散事故中，泄漏氣體往往沿地表擴(kuò)散，因而易受地表狀況(如障礙物)的影響，此時(shí)的擴(kuò)散過程較復(fù)雜，模型預(yù)測(cè)與實(shí)際狀態(tài)有較大偏差，這對(duì)復(fù)雜地形下大氣環(huán)境的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)帶來了很大的困難。CFD模型可用于任何泄漏擴(kuò)散場(chǎng)景、任何地形和氣象條件，能夠較為準(zhǔn)確地描述重氣擴(kuò)散的物理過程。筆者利用Fluent建立氯氣泄漏擴(kuò)散模型，針對(duì)不同泄漏速率、風(fēng)速和障礙物類型進(jìn)行模擬。

一、氯氣擴(kuò)散原理描述

(一)擴(kuò)散過程基本原理

重氣在邊界層中的傳送和擴(kuò)散過程都是通過湍流輸送來實(shí)現(xiàn)的。由于低層大氣中的風(fēng)速比聲速小得多，可以把空氣中質(zhì)點(diǎn)的平均運(yùn)動(dòng)看作不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)，用Navier-Stokes方程描述，見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：ui為(x，y，z)三個(gè)坐標(biāo)方向的速度，m/s；gi為重力加速度，m2/s；ρ為混合氣體密度，kg/m3；p為絕對(duì)壓力，Pa；μt為流體湍流粘度，kg/(m·s)；u′為脈動(dòng)速度，m/s。

(二)湍流模型原理

用湍流模型來封閉以上方程組。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型適合完全湍流的流動(dòng)過程模擬，此模型假設(shè)流體的湍流粘度μt與湍動(dòng)能κ和湍流耗散率ε有如下關(guān)系。

(3)

式中：cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。κ和ε分別可以從式(4)、(5)得到。

(4)

(5)

二、氯氣擴(kuò)散CFD模型設(shè)定

(一)基本假設(shè)

由于障礙物對(duì)氯氣泄漏擴(kuò)散的影響較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：

(1)氣體為亞音速流動(dòng)，且泄漏速率恒定；

(2)氣體在擴(kuò)散中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變反應(yīng)；

(3)風(fēng)向?yàn)樗椒较蚯也浑S時(shí)間、地點(diǎn)和高度變化；

(4)不考慮氣體和環(huán)境之間的熱量交換。

(二)初始條件

計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，假設(shè)整個(gè)擴(kuò)散過程中風(fēng)向保持不變，則重氣的擴(kuò)散是關(guān)于xz面對(duì)稱的，因此只需考慮一半的計(jì)算區(qū)域，從而可以減少模擬時(shí)間。選取計(jì)算區(qū)域?yàn)?00m×75m×50m，將泄漏源假定為一個(gè)12.4m×12.4m×13m的長(zhǎng)方體，坐標(biāo)為(0，0，0)，將大小為9m×4.5m×9m的立方體障礙物布置在距泄漏源下風(fēng)向50m處，如圖1所示。

對(duì)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用非線性不均勻網(wǎng)格。采用非定常的分離隱式算法，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程湍流模型，選用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，速度壓力用SIMPLE法耦合，在時(shí)間方向上用二階隱式格式離散。

圖1　泄漏擴(kuò)散模型示意圖

影響氯氣擴(kuò)散的因素主要包括泄漏源(形態(tài)、位置、泄漏氣體密度等)、氣象條件(風(fēng)向風(fēng)速、濕度、大氣穩(wěn)定度等)以及地表情況，筆者重點(diǎn)研究泄漏速率、大氣風(fēng)速和不同障礙物類型對(duì)氯氣擴(kuò)散的影響。

三、研究結(jié)果與分析

(一)泄漏速率的影響

選取的是魏利軍博士論文第七章中的初始數(shù)據(jù)作為本次模擬的基本計(jì)算條件。分別選取3、6m/s的泄漏速率進(jìn)行對(duì)比。

圖2為泄漏時(shí)間10、40、90、150s時(shí)對(duì)稱面上泄漏物質(zhì)的質(zhì)量分布。從圖中可以看出，泄漏速率影響氣體的初始動(dòng)量，泄漏速率大，形成的初始?xì)庠聘叨容^高，10s時(shí)氣體受大氣風(fēng)速和重力作用開始向地面沉降，泄漏速率大時(shí)，重力沉降作用明顯；泄漏氣體到達(dá)障礙物前，不同泄漏速率其擴(kuò)散方式相同，但是相同時(shí)間內(nèi)泄漏速率較大時(shí)，其下風(fēng)向形成的高濃度區(qū)較大，這是因?yàn)樵谳^高泄漏速率的連續(xù)釋放條件下，相同時(shí)間釋放氣體的總量更大，因此被大氣風(fēng)速的平流輸運(yùn)作用帶向更遠(yuǎn)的地方；障礙物的存在改變了大氣流動(dòng)，氣體在障礙物迎風(fēng)面開始爬升，隨著擴(kuò)散進(jìn)行氣云前端逐漸越過障礙物。比較可知，泄漏速率大時(shí)，下風(fēng)向氣體高濃度區(qū)的面積較大，同時(shí)，由于縱向和橫向渦旋的共同作用，會(huì)在障礙物背面形成空腔區(qū)。

圖2　不同時(shí)刻對(duì)稱面上的氯氣分布

(二)大氣風(fēng)速的影響

為了研究不同大氣風(fēng)速對(duì)氯氣擴(kuò)散過程的影響，分別選取5、8m/s的風(fēng)速作為研究對(duì)象。

圖3為8、20、35、50s時(shí)對(duì)稱面上的氯氣分布。從圖中可以看出，風(fēng)速增大時(shí)，氣云向下風(fēng)向擴(kuò)散速度加快，且高濃度區(qū)也以較快的速度減小。從圖中可知，擴(kuò)散初期，風(fēng)速對(duì)初始云團(tuán)的形狀影響較大，風(fēng)速較大時(shí)，釋放云團(tuán)呈鍥形擴(kuò)散，不僅底部氣云在重力擴(kuò)展作用下運(yùn)動(dòng)較快，而且頂部氣云靠高風(fēng)速作用迅速向下風(fēng)向擴(kuò)散；風(fēng)速大時(shí)氣云更容易越過障礙物，而且氣云的高濃度區(qū)要遠(yuǎn)離障礙物，主要因?yàn)轱L(fēng)速越大，遇到障礙物后反彈回來的氣云速度越大，因此遠(yuǎn)離障礙物處更容易形成高濃度區(qū)；相同時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速大時(shí)氣云的擴(kuò)散距離大，而且高濃度區(qū)主要集中在障礙物的背風(fēng)面，同時(shí)由于大風(fēng)速加劇了大氣的湍流作用，氣云被空氣稀釋得更快，更容易進(jìn)入被動(dòng)擴(kuò)散階段；50s時(shí)，高風(fēng)速下障礙物背面的氣體濃度較低，這主要是由于在高風(fēng)速條件下，障礙物對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響作用更大，從而使障礙物背面形成的渦旋作用更明顯，導(dǎo)致氣體長(zhǎng)時(shí)間聚集，不易擴(kuò)散。

圖3　不同時(shí)刻對(duì)稱面上的氯氣分布

(三)障礙物的影響

為了研究不同地形條件對(duì)氯氣擴(kuò)散的影響，考慮采用綠化帶作為障礙物，研究其對(duì)氯氣的阻隔作用。具體模型如圖4所示。氯氣泄漏口位于地面上方40cm處，簡(jiǎn)化為0.1m×0.1m×0.1m的立方體，泄漏速度分別取為0.01、0.05、0.1kg/s；綠化帶(作墻體處理，未考慮空隙率和吸附作用)位于泄漏口正下風(fēng)向1.5m，大氣風(fēng)向垂直于綠化帶，分別取為1、1.5、2m/s)；外部矩形計(jì)算區(qū)域?yàn)?0m×8m×4m。ABCD面為風(fēng)場(chǎng)入口，CDEF面、CBGF面、ADEH面和EFGH面為自由流。下風(fēng)向中心線設(shè)有3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別距離綠化帶5、10、15m。取氯氣的泄漏速度為0.05kg/s，外界風(fēng)速為1.5m/s，綠化帶高度為1.2m，距離泄漏源1.5m，泄漏時(shí)間為120s。

從圖5可以看出，綠化帶阻礙了氯氣在水平方向的傳輸，這是由于存在綠化帶時(shí)氯氣擴(kuò)散速度較慢，易發(fā)生積聚，從而降低了氯氣的傳輸速度；在相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，無綠化帶時(shí)氯氣在水平方向的濃度值和濃度變化梯度都比較大，綠化帶不僅可以降低氯氣的濃度值，還可以給人員提供寶貴的疏散時(shí)間，有利于應(yīng)急救援的實(shí)施。

圖4　模型示意圖　　　　　　　　　　　圖5　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氯氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖6　不同時(shí)刻對(duì)稱面上氯氣分布

圖6為泄漏時(shí)間6、12、30s時(shí)對(duì)稱面上氯氣分布。從圖中可以看出，由于綠化帶的存在，加大了空氣湍流，加速了氣云擴(kuò)散，使得綠化帶下風(fēng)向氣體高濃度區(qū)的面積變小。氣云經(jīng)過綠化帶后，在縱向和橫向渦的共同作用下，綠化帶后形成空腔區(qū)，導(dǎo)致氣體大量積聚在此處不能擴(kuò)散，形成高濃度區(qū)。因此，當(dāng)發(fā)生有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散后，應(yīng)將人員盡快疏散到障礙物以外的安全距離，以防高濃度氣體帶來的危險(xiǎn)性。

四、研究結(jié)論

研究了障礙物條件下不同泄漏速率、外界風(fēng)速、障礙物類型對(duì)氯氣泄漏擴(kuò)散的影響，得到以下結(jié)論：

(一)連續(xù)泄漏的泄漏速率大小對(duì)氯氣擴(kuò)散有較大影響。泄漏速率較大時(shí)，重氣效應(yīng)明顯增大，下風(fēng)向形成的高濃度區(qū)增大，形成的危險(xiǎn)區(qū)域較大；

(二)大氣風(fēng)速對(duì)氯氣擴(kuò)散濃度和擴(kuò)散危險(xiǎn)性區(qū)域有很大影響。風(fēng)速較大時(shí)，氯氣云在下風(fēng)向的擴(kuò)散速率增大，在水平側(cè)風(fēng)向的擴(kuò)散速率減小，在泄漏源和障礙物附近的停留時(shí)間減小，形成的危險(xiǎn)區(qū)域較小；

(三)不同的地表?xiàng)l件是影響氯氣擴(kuò)散的重要因素。綠化帶可以阻礙氣云擴(kuò)散，為人員疏散和應(yīng)急救援提供時(shí)間。氯氣泄漏事故現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜多變，要想成功處置并順利開展救援戰(zhàn)斗行動(dòng)，除了要以理論計(jì)算結(jié)果作為參考，還需要現(xiàn)場(chǎng)消防指揮員靈活、正確地運(yùn)用各類技戰(zhàn)術(shù)措施。隨著相關(guān)研究的不斷深入，消防官兵個(gè)人防護(hù)裝備建設(shè)的不斷加強(qiáng)，消防指戰(zhàn)員素質(zhì)水平的不斷提高，氯氣泄漏事故處置的難題必將逐步得到有效解決。

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