姚　娜　張?jiān)迄i　劉王政

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

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風(fēng)速對(duì)煤氣泄露擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬

姚娜張?jiān)迄i劉王政

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

摘要運(yùn)用CFD中流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件Fluent，模擬了不同風(fēng)速對(duì)煤氣泄漏擴(kuò)散過程的影響，得到煤氣泄漏后CO濃度隨風(fēng)速變化的擴(kuò)散規(guī)律，及不同風(fēng)速煤氣中毒范圍的作用效果，為煤氣泄漏救援提供了安全撤離的依據(jù)。

關(guān)鍵詞煤氣泄漏數(shù)值模擬中毒范圍

目前煤氣在各行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，例如鋼廠、化工、機(jī)械制造等，但煤氣中含有H2、CH4和CO，為易燃且有毒氣體，一旦發(fā)生泄漏，可引起中毒及燃爆。2005年，首鋼動(dòng)力廠煤氣發(fā)生泄漏事故，導(dǎo)致11人死亡，多人重傷[1]。所以，研究風(fēng)速對(duì)煤氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的影響，對(duì)事故發(fā)生后人員的安全撤離具有實(shí)際意義。

Fluent是當(dāng)前功能比較強(qiáng)大，在處理污染物擴(kuò)散和風(fēng)場(chǎng)變化的相關(guān)問題時(shí)，得到廣泛應(yīng)用的計(jì)算流體力學(xué)軟件。在國外，Chang等研究人員運(yùn)用Fluent對(duì)污染物在城市街區(qū)的擴(kuò)散情況進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，兩結(jié)果的吻合性良好；國內(nèi)學(xué)者在模擬有害氣體擴(kuò)散方面應(yīng)用Fluent也取得了一定成果[2]。因此，本文采用Fluent軟件模擬不同風(fēng)速下煤氣泄漏擴(kuò)散特點(diǎn)，制定安全撤離范圍。

1模型建立

以30 000 m3，高28 m，工作壓力4 kPa，直徑40 m 的焦?fàn)t煤氣柜為例[3]，根據(jù)人體吸入氣體的高度，泄漏口位置設(shè)在距地面高度為1.5 m處，計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L600 m，寬200 m，高120 m的長方體。在長方體左側(cè)面距地面1.5 m高處設(shè)半徑約0.1 m的圓形作為質(zhì)量入口，環(huán)境壓力為101 325 Pa，環(huán)境溫度為300 K，計(jì)算區(qū)域左平面設(shè)為速度入口，除地面以外，長方體其他區(qū)域面均設(shè)為自由出流[4]。根據(jù)要求劃分網(wǎng)格，設(shè)定邊界條件，最后文件以mesh格式輸出[5-6]。整個(gè)計(jì)算域如圖1所示。

圖1　泄露區(qū)域模型

2氣體泄漏量計(jì)算

在以往煤氣管道泄漏事故中，往往是管道壁出現(xiàn)孔口或裂縫，煤氣泄漏的速度與其在裂口的流動(dòng)狀態(tài)及其釋放壓力等眾多因素相關(guān)，而流動(dòng)狀態(tài)是最主要因素。所以，在統(tǒng)計(jì)煤氣柜氣體泄漏總量時(shí)，必須首先判斷泄漏時(shí)放出氣體的流動(dòng)速度是聲速(超聲速)還是亞聲速。如果以聲速或者超聲速狀態(tài)流動(dòng)，則稱其為臨界流；如果以亞聲速狀態(tài)流動(dòng)，則稱其為次臨界流[7]。如果式(1)成立，則泄漏氣體屬于聲速流動(dòng)狀態(tài)：

(1)

式中，P1為泄漏部位內(nèi)部氣體壓力，Pa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；k為泄漏氣體的絕熱指數(shù)，為一定壓力下比熱容Cp與一定容積下比熱容Cv的比。

當(dāng)煤氣柜泄漏氣體以聲速狀態(tài)泄漏時(shí)，其泄漏的速度為：

(2)

當(dāng)煤氣柜泄漏氣體以亞聲速狀態(tài)泄漏時(shí)，其泄漏速度為：

(3)

式中，Q0為煤氣柜氣體泄漏相關(guān)速度，kg/s；Cd為煤氣柜泄漏氣體相關(guān)系數(shù)，當(dāng)泄漏裂口形態(tài)為圓形時(shí)取Cd=1.00，三角形時(shí)取Cd=0.95，長方形時(shí)取Cd=0.90；k為泄漏氣體相關(guān)絕熱屬性指數(shù)，如果氣體分子為雙原子分子時(shí)取k=1.4，如果氣體分子為多原子氣體分子時(shí)，取k=1.29，如果氣體分子為單原子氣體分子時(shí)取k=1；A為裂口面積，m2；M為相對(duì)分子質(zhì)量，kg/mol；P為容器壓力，Pa；T為氣體溫度，℃；R為理想狀態(tài)下氣體的普氏比例常數(shù)，8.314 J/(mol·k)。

隨著煤氣柜內(nèi)氣體的泄漏，氣體在泄漏口的流動(dòng)速度逐漸變化，泄漏速度的變化是非線性的，但可以用等效泄漏速度表示。

3Fluent求解

Fluent讀入mesh文件并檢查網(wǎng)格劃分情況，選擇Pressure Based求解器，選擇湍流模型k-epsilon(2eqn)，模型涵蓋的基本計(jì)算方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(4)

動(dòng)量控制方程：

(5)

組分傳輸方程：

(6)

4中毒區(qū)域劃分與模擬結(jié)果

根據(jù)煤氣(CO)毒性濃度，將其影響范圍劃分為3個(gè)區(qū)域：致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)[8]。根據(jù)劉祖德等的研究成果，參照世界各國及地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)選取出3個(gè)臨界濃度，分別為致死區(qū)域外部氣體濃度值1 170 mg/m3、重傷區(qū)域外部氣體濃度值292.5 mg/m3和輕傷區(qū)域外部氣體濃度值58.5 mg/m3[9]。風(fēng)速分別取0，2，4，6，8 m/s，在不同風(fēng)速下，CO 3個(gè)臨界濃度危險(xiǎn)區(qū)域云圖如圖2所示。

圖2　不同風(fēng)速時(shí)CO濃度云圖

根據(jù)z=0平面上的plot圖表，以泄露點(diǎn)為起點(diǎn)，以臨界濃度邊界為半徑的最大中毒區(qū)域與風(fēng)速的關(guān)系如表1所示。

表1　不同風(fēng)速下各臨界濃度區(qū)域范圍

分析表1可知：風(fēng)速為0時(shí)，擴(kuò)散表現(xiàn)為在浮力的作用下上升并擴(kuò)散，從云圖中可以看出，云圖縱向距離較大，風(fēng)速增大時(shí)，擴(kuò)散更多地表現(xiàn)為風(fēng)對(duì)煤氣的平流輸送作用，所以橫向距離變大，縱向范圍減??；從 0 m/s增大到 8 m/s，致死區(qū)域的半徑并沒有發(fā)生很大的變化，在60 m左右波動(dòng)，重傷區(qū)域大多在80 m波動(dòng)，而輕傷區(qū)域半徑隨著風(fēng)速的增大，其變化趨勢(shì)是先增大后減小。分析其原因可能是影響煤氣擴(kuò)散過程的主要因素為射流動(dòng)量、浮力、風(fēng)速和時(shí)間。當(dāng)煤氣柜出現(xiàn)破裂后，由于柜內(nèi)壓力比外界大氣壓大很多，導(dǎo)致煤氣從氣柜內(nèi)泄漏到柜外時(shí)的速度很大，瞬間噴射而出，此時(shí)沿泄漏初始方向的氣體與空氣混合后仍以較大的速度蔓延擴(kuò)散，所以在這一初始擴(kuò)散過程泄漏時(shí)，初始動(dòng)量控制氣體擴(kuò)散；擴(kuò)散穩(wěn)定后，在60 m與80 m處形成渦旋，導(dǎo)致CO濃度基本保持不變，隨著噴射距離越來越大，氣體本身的速度逐漸下降，因?yàn)镃O的密度與空氣相差不大，所以浮力的作用效果不明顯，相對(duì)來說風(fēng)速開始占主導(dǎo)地位。隨著風(fēng)速的增大，擴(kuò)散范圍變大，說明風(fēng)速在此時(shí)起到帶動(dòng)作用，使同一地點(diǎn)CO濃度逐漸增大；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，輕傷區(qū)域范圍反而在逐漸減小，可能是因?yàn)轱L(fēng)速在帶動(dòng)CO向遠(yuǎn)處擴(kuò)散的同時(shí)，還起到了稀釋作用，而此時(shí)稀釋作用大于帶動(dòng)作用。

5結(jié)論

運(yùn)用Fluent模擬風(fēng)速對(duì)煤氣擴(kuò)散的影響規(guī)律。風(fēng)速為0時(shí)，為浮力作用下的上升擴(kuò)散表現(xiàn)明顯；風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)速對(duì)煤氣擴(kuò)散的影響起平流輸送或稀釋有毒氣體的作用。

煤氣擴(kuò)散在風(fēng)速的作用下，致死區(qū)域半徑在60 m處波動(dòng)；重傷區(qū)域在80 m處波動(dòng)，煤氣泄漏初始速度大，風(fēng)速對(duì)初始射流段的影響并不明顯，且在60 m與80 m處形成渦旋，其濃度變化不大。風(fēng)速增大到2 m/s時(shí)，輕傷區(qū)域范圍增大，增大到4 m/s時(shí)，其范圍開始減小，隨著風(fēng)速越來越大，輕傷區(qū)域范圍逐漸減小至330 m。根據(jù)模擬結(jié)果,如若發(fā)生泄漏事故進(jìn)行救援時(shí)，安全撤退的距離可以以此為參考依據(jù)。

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(收稿日期2015-11-01)

Numerical Simulation on the Influence of Wind Speed to Gas Leakage Diffusion

Yao NaZhang YunpengLiu Wangzheng

(School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology)

AbstractThe influence regularity of different wind speed to gas leakage diffusion is numerical simulated based on the fluid mechanics numerical simulation software Fluent in CFD.The diffusion regularity of CO concentration change with wind speed after the gas leakage is obtained,besides that,the diffusion effects of the gas poisoning scope under the conditions of different wind speed is studied to provide the reference of safety evacuation for the gas leakage rescue.

KeywordsGas leakage, Numerical simulation, Poisoning scope

姚娜(1990—)，女，碩士研究生，063009 河北省唐山市新華西道46號(hào)。