陳長坤，王瑋玉，史聰靈，劉晅亞

(1. 中南大學 防災科學與安全技術研究所, 湖南 長沙 410075； 2. 中國安全生產(chǎn)科學研究院 地鐵火災與客流疏運安全北京市重點實驗室，北京 100012；3. 建筑消防工程技術公安部重點實驗室，天津 300381)

0　引言

隨著?；费h(huán)的加快，在這個過程中必然存在一定的泄漏、事故隱患。公安部上海消防研究所對我國?；沸孤┦鹿式y(tǒng)計分析[1]顯示運輸階段發(fā)生泄漏事故比重為77%，泄漏物質中易燃液體占比高達23%。

國內外學者對于有毒有害物質的泄漏擴散的研究已較多。許多學者采用CFD方法對LNG泄漏擴散評價模型實驗數(shù)據(jù)、Burro實驗、Thorney Island Trial 026實驗以及其他自主設計實驗進行了驗證性研究，結果表明CFD軟件模擬較為符合實驗結果[2-5]；潘旭海、武志峰、李晰睿等人在LNG泄漏擴散領域，研究也較為深入，取得許多成果[6-8]；Luketa-Hanlin等人[9-10]對CFD方法在LNG泄漏及蒸氣擴散領域的應用進行了探討；Sklavounos[11]等人研究了低溫條件下液氫和液化天然氣泄漏及蒸氣擴散規(guī)律，并說明了CFD軟件在蒸氣擴散方面研究的可靠性； He[12]等人對受限空間內的蒸汽云的形成進行了研究，并提出了液氣轉化模型，為實際中低沸點易燃液體的操作和儲存提供了理論依據(jù)；Bubbico[13]對公路隧道內有毒物質泄漏及蒸汽擴散進行了深入研究，并考慮了通風的因素，進一步完善了受限空間內蒸氣擴散理論研究；還有學者對LPG事故、氣體擴散動態(tài)模型、水幕對重氣擴散的影響、汽油蒸氣擴散爆炸等進行了研究，并得到有價值的成果[14-17]。這些研究成果對有毒有害物質的泄漏擴散事故的預防與處置都具有重要的指導意義。

以上研究大多為開放空間中有毒有害物質的泄漏擴散，且物質多為氣體或液化氣體，而對于隧道內低沸點易燃液體的研究涉及較少，因此有必要結合隧道的狹長半封閉空間特點，考慮內部車輛、風速等對易燃液體蒸發(fā)擴散規(guī)律的影響進行研究，以期為該類泄漏事故的應急處置提供必要的理論支持和參考。

1　模型建立

1.1　常溫下易燃液體蒸發(fā)速率計算

對于可認為無邊界的較深液池而言，可認為液體本身溫度與環(huán)境溫度相等，液體中存在一維傳熱過程。依據(jù)James G. Quintiere的研究[18]，把易燃液體的蒸發(fā)看做低質量一維穩(wěn)態(tài)流，理想條件下，有：

(1)

式中：mg為液體蒸發(fā)質量流量，g/(m2·s)；Tb為初始溫度，K；Ts為蒸發(fā)溫度，K；h為液面與空氣對流換熱系數(shù)”，W/(m2·K)；hfg為氣化熱，J/g。

而實際情況下，易燃液體泄露后形成淺液池，需要考慮地面與液體表面之間的換熱作用，其對流換熱系數(shù)設為hL，則液面上方能量守恒方程為：

mghfg=h(T∞-Ts)+hL(TD-Ts)

(2)

式中：T∞為環(huán)境溫度，K；TD為地面溫度，K。

取T∞=TD，(1)式和(2)式聯(lián)立可得：

(3)

因此，以甲醇為例，環(huán)境溫度取25℃，液面與空氣對流換熱為8 W/(m2·K)，液體與地面對流換熱為10 W/(m2·K)時，由(3)式可求得Ts=272 K，代入(1)式即該條件下甲醇液體蒸發(fā)質量流量mg=0.44 g/(m2·s)。

1.2　網(wǎng)格劃分及工況設置

采用ICEM建立模型，網(wǎng)格類型為結構化網(wǎng)格，模型尺寸為80 m×6 m，易燃液體蒸發(fā)位置位于模型(隧道)的中間，長5 m，蒸氣產(chǎn)生部位網(wǎng)格尺寸為0.05 m×0.1 m，兩側網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m。模型兩側洞口為速度入口，上下邊界為絕熱壁面，溫度為298 K，壓力為101 325 Pa；模擬中易燃液體采用甲醇，蒸發(fā)質量流率為0.44 g/(m2·s) ，定義風向從左向右為正向，工況設置如表1所示。為更加全面的分析隧道內蒸氣的分布，對隧道內高度為1.5 m處進行濃度變化監(jiān)測，一輛車工況中，車輛緊鄰蒸發(fā)區(qū)域右側，隧道內車輛位置及監(jiān)測位置如圖1所示。

表1　工況設置

圖1　蒸氣濃度監(jiān)測及車輛位置示意Fig.1　Layout diagram of vapor monitoring location and vehicles

2　結果分析

2.1　障礙物及通風條件對蒸氣擴散分布規(guī)律的影響分析

圖2給出了隧道內存在單障礙物時，不同通風速率下甲醇蒸氣擴散的穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律。可以看出，蒸氣擴散后在隧道內形成了較為穩(wěn)定的濃度梯度，蒸汽擴散與風速呈正相關，且隧道中上部蒸氣濃度較低，蒸氣擴散也產(chǎn)生了微弱的回流；對于不同風向，障礙物處于泄漏源的下風向時，混合氣體流動受到阻擋，導致蒸氣主要集中于車輛下部，下游蒸氣濃度較低且濃度梯度線位置高度相對較低，而障礙物處于泄漏源的上風向時，穿過障礙物的紊亂氣流作用于泄漏源上方蒸氣，濃度梯度線位置相對較高，更能加劇蒸氣擴散。

圖2　不同風速風向下蒸氣的擴散分布云圖(單障礙物)/mFig.2　Nephogram of vapor distribution under different directions and velocity of wind (Single obstacle condition)/m

圖3　不同風速風向下蒸氣的擴散分布云圖(多障礙物)/mFig.3　Nephogram of vapor distribution under different directions and velocity of wind (Multi-obstacle condition)/m

圖4　甲醇蒸氣質量濃度等值線(單障礙物)/mFig.4　Contours of the methanol vapor distribution(Single obstacle condition)/m

圖3給出了隧道內存在多障礙物時，不同通風速率下甲醇蒸氣擴散的穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律。可以看出，障礙物較多時蒸氣擴散規(guī)律整體上與單障礙物時基本一致，但也存在不同之處，此時風向的影響更加復雜，由于正向通風時，泄漏源下風向存在的障礙車輛多于負向通風工況，相對而言，正向通風時阻礙較大，氣流在車輛間更容易形亂流，使混合氣流難以向隧道口流動，因此其下風向蒸氣積聚現(xiàn)象十分嚴重。

2.2　蒸氣擴散危險區(qū)域分析

甲醇蒸氣爆炸極限為6%～36%，質量分數(shù)約為6.5%～38.3%，則在隧道內甲醇蒸氣濃度達到該范圍的區(qū)域危險性較大。圖4為單障礙車輛時不同風速及方向下蒸氣擴散的危險區(qū)分布。可以看出，風速為1 m/s時，正向通風情況下，由于泄漏區(qū)域下風向存在障礙物，混合氣體流動受阻，上部蒸氣濃度僅1%左右，因此危險區(qū)域主要集中在地面附近；負向通風時，由于通風受到車輛的阻礙，導致下游形成的危險區(qū)域水平方向上距離要比前者小，但在垂直方向上高度比前者大；另外，兩者蒸氣分布分層穩(wěn)定性都較好。

當風速達到4 m/s時，氣流快速從車底穿過時向上的流動加速了蒸氣的擴散，正向通風和負向通風工況下均在100 s內形成較為穩(wěn)定的分布，液體蒸發(fā)區(qū)下游危險區(qū)域快速形成，且區(qū)域面積更大。

圖5為多障礙車輛時甲醇蒸氣擴散的危險區(qū)域分布?？梢钥闯觯蛲L風速較小時，危險區(qū)域的高度邊界離地面較近，分層相對較少，風速較大時，車輛首尾位置對蒸氣的影響作用顯著，造成了車輛底部、車輛之間的蒸氣積聚，分層較多且分布紊亂，危險區(qū)域主要集中于車輛之間和尾部；負向通風時，其危險區(qū)域的面積相對較小，這是因為泄漏源的上風向存在較多的障礙物，作用于泄漏源上方的氣流相對較弱。

圖5　甲醇蒸氣質量濃度等值線(多障礙物)/mFig.5　Contours of the methanol vapor distribution(Multi-obstacle condition)/m

圖6　隧道內流場變化(單障礙物)/mFig.6　The variation of the flow field in tunnel (Single obstacle condition)/m

此外，對比圖4和5可以看出，相同風速條件下，障礙物的數(shù)量不同時，蒸氣的濃度分布差異也十分明顯，障礙物較少時，蒸氣濃度分布分層明顯且穩(wěn)定，危險區(qū)域較為規(guī)則，障礙物較多時，由于障礙物對氣流的影響較大，也導致蒸氣濃度分層較多且混亂，障礙物附近出現(xiàn)局部積聚現(xiàn)象，規(guī)律性差。

2.3　隧道內流場及蒸氣濃度變化規(guī)律分析

2.3.1流場變化規(guī)律分析

以2 m/s通風速率為例，對隧道內存在障礙物情況下的流場變化進行分析，揭示通風與障礙物綜合作用對甲醇蒸氣擴散的影響。

圖6給出了單障礙物時隧道內的流場速度矢量圖和流線圖?？梢钥闯觯俣容^大區(qū)域主要位于送風側的車輛邊緣上部區(qū)域，該區(qū)域形成了氣流漩渦，這也是負向進風時蒸氣擴散回流的原因；氣流穿過車底會有向上流動的趨勢，從而把蒸氣帶離地面，負向通風時該現(xiàn)象尤為明顯，這導致了負向通風時垂直方向上蒸氣分布較廣；隧道上方氣流平穩(wěn)，蒸氣不易積存，因此蒸氣主要分布在隧道中下部；另外，車輛的下風向也產(chǎn)生了氣流漩渦，且方向不同，數(shù)量也較多，氣流十分紊亂，這導致蒸氣在該位置積聚較為嚴重。

圖7給出了多障礙物時隧道內的流場速度矢量圖和流線圖?？梢钥闯?，多障礙物工況時，氣流的紊亂整體規(guī)律與單障礙物時基本一致，且正向和負向通風條件下均有回流現(xiàn)象，但流場變化要比單障礙物時復雜很多。正向通風時，經(jīng)過第一障礙車輛的氣流有向上分流的趨勢，經(jīng)過第二障礙車輛時，氣流在車輛之間形成強烈的漩渦，導致此處蒸氣積聚，第三障礙車輛下風向位置存在渦流和回流，蒸氣的積聚現(xiàn)象也較為明顯；負向通風時，第一障礙車輛對風流有阻礙作用，經(jīng)過第二障礙車輛后，蒸氣向上擴散并產(chǎn)生積聚，經(jīng)過第三障礙車輛后，雖然在下風向也產(chǎn)生了渦流、回流現(xiàn)象，但該處蒸氣的積聚較正向通風時低。

2.3.2隧道內1.5 m高度處蒸氣濃度的變化規(guī)律分析

易燃液體泄露后蒸發(fā)擴散，考慮隧道內人為用火(抽煙等)產(chǎn)生能量等因素，將隧道內1.5 m高度處作為研究對象，分析該位置處蒸氣濃度隨時間變化的規(guī)律。

圖7　隧道內流場變化(多障礙物)/mFig.7　The variation of the flow field in tunnel (Multi-obstacle condition)/m

圖8　隧道內1.5 m高度處甲醇蒸氣濃度變化(單障礙物)Fig.8　The variation of the methanol vapor concentration at a height of 1.5 meters in tunnel (Single obstacle condition)

圖8和圖9給出了各個工況下，隧道內1.5 m高度處蒸氣濃度隨時間的變化曲線。單障礙物時，風速為1 m/s和2 m/s時，正向通風隧道內1.5 m高度處蒸氣濃度均未達到爆炸極限，負向通風時，在泄漏源的下風向存在10～20 m的區(qū)域蒸氣濃度達到爆炸極限，這是由于經(jīng)過車底的氣流向上分流，攜帶作用較強所致，風速為4 m/s時，正向和負向通風時均有達到爆炸極限的區(qū)域，但負向通風時濃度峰值高于正向通風時10%左右，說明負向通風時穿過障礙車輛的向上的氣流直接作用于蒸發(fā)區(qū)，加劇了蒸氣擴散。風向相同時，風速越大越有利于泄漏源蒸氣的擴散，同時也在一定程度上增大了危險區(qū)域。

多障礙物工況下，隧道內1.5 m高度處的濃度整體上要高于單障礙物時的濃度，且所有工況均出現(xiàn)了濃度處于爆炸極限范圍內的區(qū)域，這是因為多障礙物工況下，障礙車輛之間及車尾的氣流漩渦導致蒸氣積聚所致；通風方向一致時以及風速大小相同方向相反時，均存在與單障礙物時基本一致的規(guī)律。

圖9　隧道內1.5 m高度處甲醇蒸氣濃度變化(多障礙物)Fig.9　The variation of the methanol vapor concentration at a height of 1.5 meters in tunnel (Multi-obstacle condition)

3　結論

1)隧道內通風有利于避免泄露區(qū)域蒸氣積聚，且風速越大，擴散現(xiàn)象越明顯，但在大面積泄漏事故中，由于蒸氣量較大，通風作用也會擴大易燃液體蒸氣危險區(qū)域。

2)障礙物位于泄漏源的上風向時，通過障礙物的紊亂氣流直接作用于蒸發(fā)區(qū)域，攜帶作用較強，能夠攜帶更多的蒸氣，導致蒸氣在下游空間的分布更廣，蒸氣擴散形成的危險區(qū)域較大；障礙物較多時，隧道內流場紊亂，尤其是障礙物之間位置，產(chǎn)生了氣流漩渦和回流，導致泄漏源的下風向蒸氣擴散范圍相對較廣，車輛之間以及車輛尾部存在較為明顯的蒸氣積聚現(xiàn)象，蒸氣分布規(guī)律性較差。

3)在隧道內，由于通風以及障礙物的綜合影響，易燃液體蒸氣擴散產(chǎn)生回流作用，但回流程度較小，同時由于隧道上部氣流穩(wěn)定，使得蒸氣不易積聚，因此蒸氣主要集中在中下部位置。

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