李 潔北京市勞動保護科學(xué)研究所

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苯罐泄漏的CFD數(shù)值模擬

李 潔
北京市勞動保護科學(xué)研究所

【摘 要】苯是一種石油化工基本原料，可燃，有毒，致癌。一旦發(fā)生泄漏，后果十分嚴重。本文分別采用Fluent和DEGADIS模型模擬苯的泄漏擴散。研究結(jié)果可為泄漏事故的后果和風險評估的提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】Fluent；DEGADIS；泄漏；數(shù)值模擬

石化企業(yè)生產(chǎn)、儲存和輸送著各種類型的危險物質(zhì)如易燃、易爆、有毒、有害及有腐蝕性氣體或液體等。通過高壓容器、儲罐、輸送工藝管線的破裂等事故致使這些危險物質(zhì)意外泄漏或釋放，泄漏出來的物質(zhì)可能會發(fā)生燃燒、爆炸事故或者對周圍環(huán)境造成嚴重的污染，引起居民群體中毒甚至死亡。當前污染物擴散及其模擬研究大多針對重大事故。

事實上除了事故性的污染物泄漏擴散外，更常見的是污染物的中低度泄漏擴散，如泵、儲罐和管線等工藝設(shè)備的破裂而引起污染物短時間泄漏。盡管在發(fā)生泄漏后能通過連鎖等控制系統(tǒng)迅速控制泄漏事故而終止污染物泄漏過程，仍然會有一部分物料泄漏后向周圍擴散并污染環(huán)境。

本文運用Fluent和DEGADIS模型模擬苯罐泄漏擴散，并作對比分析，研究結(jié)果可為泄漏事故的后果和風險評估的提供一定的參考。

1 模型簡介及國內(nèi)外應(yīng)用展望

1.1模型簡介

1.1.1DEGADIS模型

DEGADIS模型由Arkansas 大學(xué)的Tom Spicer和Jerry Havens 最初開發(fā)，并被美國EPA以及氣體研究所等單位資助和認可。

適用范圍簡介：

（1）瞬時（即發(fā)生在幾秒鐘）。

（2）連續(xù)地面（即持續(xù)幾分鐘與很少或沒有變化在發(fā)射率）。

（3）連續(xù)噴射釋放。

局限性簡介：

使用該模型僅限于致密氣體釋放或液體泄漏，蒸發(fā)到密集的氣體。模型的適用性取決于計算理查森數(shù)釋放。DEGADIS 包括計算工具菜單下計算了理查森數(shù)。對于一個連續(xù)致密氣體釋放，理查森數(shù)大于32。對于一個密集的氣體釋放持久不超過幾秒鐘，大于700。

DEGADIS和噴射煙羽模型均采用平面大氣流場沒有障礙物，如建筑物或樹木。也沒有考慮到模型采取傾斜的地形。使用該模型僅限于條件擴散的高度遠遠大于氣體層的表面粗糙度周圍地區(qū)。

噴射模型是嚴格對垂直釋放。沒有水平噴射釋放速度納入模型。如果噴射釋放不垂直于地面，結(jié)果會不準確。

1.1.2 Fluent模型

CFD軟件（Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學(xué)，簡稱CFD。CFD是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。

FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、最流行的CFD軟件，F(xiàn)luent對流動問題的模擬得到了最廣泛的驗證。

FLUENT的材料數(shù)據(jù)庫包含了污染物和空氣混合物物理化學(xué)性質(zhì)的預(yù)先定義，節(jié)省了構(gòu)建氣體輸運混合材料的時間。

FLUENT提供強大的UDF（用戶自定義子程序）功能，運用這個功能，本文可以實現(xiàn)：模擬大氣邊界層的平均風速剖面、瑞動能和瑞流耗散率。

1.2國內(nèi)外應(yīng)用情況展望

目前FLUENT在環(huán)保領(lǐng)域主要用于脫硫、脫硝反應(yīng)器內(nèi)部流場、溫度場、濃度場的模擬[1-12]，因為模擬結(jié)果與實際情況符合性高，已經(jīng)成為反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，但是Fluent在安評等咨詢業(yè)務(wù)中應(yīng)用較少。據(jù)悉國外某些風險模擬，尤其是重氣體風險預(yù)測，如LNG泄漏已經(jīng)提出用FLUENT進行模擬的要求。因此， FLUENT模擬是今后風險模擬的一個重要方向。

2 案例分析

通過兩種DEGADIS和FLUENT兩種模型對某個苯儲罐泄漏模擬，對模擬結(jié)果進行對比分析。

2.1情景設(shè)定

為更好對比兩個模型，力求初始條件一致，進行如下設(shè)置。

泄漏情景。

瞬時泄漏，即瞬間形成液池。

泄漏量。

2000kg/min，泄漏時間10min，總泄漏量20t。

氣象條件。

溫度：30℃。

地表溫度：70℃。

穩(wěn)定度：F。

風速：1.5m/s。

2.2DEGADIS模型模擬及結(jié)果

（1） 網(wǎng)格設(shè)置。

本次模擬DEGADIS模型設(shè)置了40501個網(wǎng)格，如圖1。

圖1　DEGADIS模型網(wǎng)格設(shè)置

（2） 預(yù)測結(jié)果。

DEGADIS模型預(yù)測結(jié)果，見表1。

表1　DEGADIS模型預(yù)測結(jié)果表

從表中可以看出，苯罐泄漏IDLH1范圍為321.7m，IDLH2范圍為208.9m，不形成LC50濃度范圍。

2.3FLUENT模型模擬及結(jié)果

2.3.1建模

設(shè)定苯儲罐直徑為28m，高度為17m，選擇計算流域的尺寸為1300m×600m×300m。

2.3.2計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量很大程度上決定了模擬的效果，一般而言，網(wǎng)格越細，模擬效果越好，但會導(dǎo)致計算量的增加。一個好的解決辦法是對重要區(qū)域的網(wǎng)格進行局部加密。

本文局部加密按照重要程度主要有：包含儲罐的圍堰內(nèi)部；包含圍堰的更大一點的區(qū)域；以及該區(qū)域上下風向的區(qū)域。

2.3.3邊界條件設(shè)定

CFD的求解過程，就是將邊界線或邊界面上的數(shù)據(jù)外推擴展到計算流域內(nèi)部的過程。邊界面類型和邊界條件的設(shè)置如果不合適甚至不符合實際，將導(dǎo)致計算不收斂，無法實現(xiàn)準確或精確模擬。因此，設(shè)置符合實際物理情況且合適的邊界條件是極其重要的。本案例中，需要設(shè)定的邊界有：風流入口面、計算流域頂面?zhèn)让婧统隹诿?、儲罐外殼和地面?/p>

2.3.4FLUENT條件設(shè)置

（1） 風入口面設(shè)置。

平均風速剖面選擇指數(shù)方法計算。由于苯儲罐多位于化工區(qū)，裝置，儲罐林立，設(shè)定粗糙指數(shù)為0.22，梯度風高度300m。

風入口面平均風剖面采用用戶自編程序通過UDF接口連接。

（2） 求解模型。選擇k-ε模型。

2.3.5FLUENT模擬結(jié)果

（1） 風場分布。

從模擬結(jié)果看，入口截面風速呈現(xiàn)梯度變化。計算區(qū)域風速由于罐區(qū)和圍堰的存在，近地面風場出現(xiàn)變化流場分布圖，如圖2、3。

在儲罐及圍堰周圍部分出現(xiàn)大量渦流，導(dǎo)致計算區(qū)域原先平穩(wěn)的流場不再均勻。

渦流最強烈的地方位于圍堰內(nèi)部，也就是泄漏后液池所在區(qū)域，對于污染物初期的擴散將產(chǎn)生重大影響。

近地面流場的影響范圍較大，一直延續(xù)到出口處，也就是距離儲罐1000m處，對于污染物的擴散將產(chǎn)生重大影響。

（2） 濃度分布。

FLUENT模型模擬結(jié)果表見表2。苯的IDLH1范圍為600m，IDLH2范圍在圍堰內(nèi)部，LC50范圍在圍堰內(nèi)部。苯的濃度分布圖，如圖4-6。

圖2　模擬區(qū)域流場分布圖（Z=0.5m，m/s）

圖3　計算區(qū)域的流場分布圖（Z=10m，m/s）

圖4　計算區(qū)域濃度分布圖（x=50m；100m；200m；300m；400m；500m；600m；700m；800m；900m和1000m，kmol/m3）

圖5　計算區(qū)域濃度分布圖(Y=0，kmol/m3)

圖6　計算區(qū)域落地濃度分布圖（IDLH1范圍，z=0.5m，kmol/m3）

表2　FLUENT模型模擬結(jié)果表

2.4結(jié)果對比分析

將FLUENT和DEGADIS模型模擬結(jié)果進行對比，見表3。

表3　FLUENT和DEGADIS模型模擬結(jié)果對比表

表中可以看出，IDLH1的安全范圍FLUENT模型的預(yù)測結(jié)果要大于DEGADIS模型，而IDLH2的安全范圍，DEGADIS模型的預(yù)測結(jié)果要大于FLUENT模型；對于LC50的安全范圍，F(xiàn)LUENT模型與DEGADIS模型結(jié)果一致，但是FLUENT可以顯示面源區(qū)域的濃度分布。

原因分析：如前所述，DEGADIS模型模擬均勻風場是有效的，但是由于儲罐及圍堰的阻擋，導(dǎo)致了儲罐周圍尤其是儲罐后部風場的變化，加強了污染物和空氣擾動與混合，IDLH2濃度范圍大幅縮小——只限制在圍堰內(nèi)部；而同樣由于風場的變化，污染物和空氣擾動與混合作用加強，IDLH1濃度范圍增加，較DEGADIS模型預(yù)測范圍增加了約一倍。

3 結(jié)論及展望

（1）FLUENT模型可精確模擬有害物質(zhì)尤其是重氣體的泄漏及擴散情況。

（2）FLUENT模型模擬的前期準備工作如建模等工序繁雜，如何進行有效的簡化是今后研究的重點之一。

（3）將連續(xù)泄漏情景；濕度、地面溫度、太陽輻射強度和地形參數(shù)等因素考慮進模型，進行最為真實的模擬是今后研究的重點之一。

（4）FLUENT模型的輸出較為困難，無法滿足安評的需求，因此，應(yīng)考慮與其他軟件的結(jié)合以加強后處理工作。

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