陳長坤,王瑋玉,2,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.中國長江三峽集團公司， 湖北 宜昌 443002；3.建筑消防工程技術公安部重點實驗室，天津 300381)

數(shù)字出版日期： 2017-12-19

0　引言

社會的進步對?；返姆峙涮岢隽烁叩囊螅珡碗s的運輸條件給?；返姆峙湟矌硪欢ǔ潭鹊牟话踩?，比如易燃液體泄漏事故，不僅有易燃液體的泄漏，還存在其蒸氣的擴散。

國內(nèi)外學者針對?；返男孤┱舭l(fā)及蒸氣擴散進行了大量研究，較為著名的實驗研究包括由美國能源部組織的歷時6年的Burro實驗、由英國HSE組織的Thorney Island實驗、Shell泄放實驗等[1-3]；Hansen、Sun等人結合Burro實驗對危化品的泄漏擴散進行了持續(xù)研究[4-5]；Giannissi等人采用CFD和實驗的方法研究了LNG泄漏擴散，結果表明CFD軟件對泄漏擴散的模擬與實驗結果較為符合[6]；He等人對受限空間內(nèi)的蒸汽云的形成進行了研究，并提出了液氣轉化模型[7]；Jang等人采用CFD方法從蒸氣擴散和溫度變化2個方面對LNG罐體事故性泄漏進行了研究，得到了較為有價值的研究成果[8]。在國內(nèi)，劉國梁等人采用模擬實驗的方法研究了障礙物對有毒有害氣體擴散分布規(guī)律的影響[9]；王文和、張江華、孫莉等人從多方面系統(tǒng)分析了國內(nèi)外危險化學品泄漏擴散方面的研究，并提出了現(xiàn)存的問題進一步研究的框架[10-12]；姚志強、翟美玉、鄭茂輝等人考慮障礙物、風速、泄露口形狀等因素，對危化品泄露擴散的影響進行了數(shù)值模擬研究[13-15]；周寧等人應用實驗的方法，以CO2作為研究對象，研究了氣體擴散的影響因素[16]。

以上學者對?；吩陂_放空間的泄漏擴散研究較為深入，但對于運輸過程中的隧道內(nèi)易燃液體泄漏后蒸發(fā)及蒸氣擴散的研究鮮有涉及，隧道的半封閉狹長空間結構對易燃液體蒸氣的擴散極為不利，因此有必要對隧道內(nèi)易燃液體泄漏后蒸氣的擴散規(guī)律進行研究，為該類事故的處置提供一定的理論指導。

1　模型建立

1.1　隧道模型

運用FLUENT軟件進行計算，采用三維模型，長、寬、高分別為30，8，6.65 m，泄漏車輛位于隧道中央，車輛尺寸為8.5 m(長)×2.5 m(高)×3 m(寬)，車輛底部高度為0.5 m，易燃液體淺液池位于車輛后側，為簡化計算，考慮淺液池呈圓形，直徑為3 m，結構化網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。對隧道內(nèi)的蒸氣濃度進行監(jiān)測，水平方向上監(jiān)測線標記為A～G層，其中A～D每層3處，垂直方向上共4處，位于隧道縱向中面上，以車輛為中心對稱布置，分別為兩側隧道口和車輛前、后方，記為I，K，L，N，其中監(jiān)測位置L位于淺液池中心處，具體布置如圖1所示。

圖1　計算模型及監(jiān)測位置示意Fig. 1　Layout diagram of model and vapor monitoring location

1.2　工況設置及邊界條件

工況設置為無風條件下易燃液體自然蒸發(fā)及其蒸氣的擴散。易燃液體采用甲醇，隧道兩側洞口為壓力出口，環(huán)境溫度為25 ℃，淺液池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)。

James G. Quintiere等認為液池較深時把液體的蒸發(fā)過程看作低質量一維穩(wěn)態(tài)流，質量蒸發(fā)速率為[17]：

(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為液體與空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hfg為氣化熱，J/g。

而在實際中，在平整的地面上泄漏液體流淌形成的液池較淺(此時Tb=Ts)，James G. Quintiere等學者引入液體與地面的對流換熱系數(shù)hL[17]，則有：

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。

因此，(1)式和(2)式聯(lián)立可得關于Ts的表達式：

(3)

式(3)即為地面淺液池表面溫度計算式，根據(jù)上述邊界條件，通過MATLAB計算可得到Ts=271.8 K，結合式(1)即可得到該條件下淺液池質量蒸發(fā)速率為0.431 3 g/(m2·s)。

2　計算結果分析

2.1　蒸氣分布分層基本規(guī)律

圖2和圖3分別為隧道內(nèi)甲醇蒸氣質量濃度達到1%和6.5%的等值面圖(甲醇蒸氣爆炸下限體積分數(shù)為6%，轉化為質量分數(shù)為6.5%。從圖2可以看出，60 s時刻時，蒸氣擴散至隧道頂部，在100 s時刻時，蒸氣擴散至右側隧道口附近；由于液池左側有障礙車輛的阻擋，隧道左側的蒸氣分布區(qū)域明顯小于右側，且分布高度也略低于右側。由圖3可以看出，甲醇蒸氣濃度達到爆炸極限的分布層高度較低，在40～60 s時間段內(nèi)車輛底部蒸氣分布區(qū)域較大，說明車輛底部更為狹小的空間產(chǎn)生了蒸氣積聚現(xiàn)象，100 s時顯示蒸氣分布向隧道口移動，120 s時刻，隧道口附近部分區(qū)域蒸氣濃度也達到了爆炸極限，說明蒸氣不只存在于液池附近位置，隧道內(nèi)甲醇蒸氣分布不穩(wěn)定，且擴散范圍較廣。

圖2　甲醇蒸氣質量分數(shù)為1%等值面Fig. 2　Contour surface of vapor mass fraction (1%)

圖3　甲醇蒸氣質量分數(shù)為6.5%等值面Fig. 3　Contour surface of vapor mass fraction (6.5%)

2.2　水平方向上監(jiān)測位置蒸氣濃度變化分析

圖4給出了A，C，D 3個監(jiān)測位置的甲醇蒸氣濃度隨時間變化的曲線。由圖4(a)可以看出，3個位置均出現(xiàn)了甲醇蒸氣濃度超過爆炸極限的現(xiàn)象，圖4(b)顯示h=1.0 m的高度層上最大蒸氣濃度較為接近但均未達到爆炸極限，而由圖4(c)可以看出在h=1.5 m的高度上，隧道空間中甲醇蒸氣的濃度基本維持在3%左右，這說明甲醇蒸氣主要集中在距離地面1 m以下的位置，在泄漏源上方、車輛底部、車輛兩側等位置，均可能出現(xiàn)蒸氣接近或超過爆炸極限的區(qū)域，屬于危險區(qū)域，而在1 m以上的空間中甲醇蒸氣濃度相對較低。綜合圖4(a)，(b)，(c)，在3個監(jiān)測高度層上，均存在2個甲醇蒸氣濃度峰值(車輛遮擋情況除外)，對應位置分別為車輛位置(底部和兩側)、蒸發(fā)源上方，表明這2個位置出現(xiàn)了蒸氣積聚現(xiàn)象，車輛的存在是該位置產(chǎn)生蒸氣積聚的直接原因，也說明了障礙車輛對蒸氣的擴散產(chǎn)生了不利影響。

圖4　A，C，D監(jiān)測位置甲醇蒸氣濃度變化Fig. 4　Change of methanol vapor concentration of monitor Location A, C, D

圖5給出了隧道內(nèi)高度分別為3，4，5 m處的甲醇蒸氣濃度隨時間變化的曲線?？梢钥闯鏊淼纼?nèi)3 m以上空間中甲醇蒸氣濃度均未超過2%，表明隧道內(nèi)中上部并未產(chǎn)生蒸氣的積聚，這是因為甲醇蒸氣分子量略大于空氣，所以不易擴散至較高位置，且隧道口位置較近，有利于擴散；圖5還顯示高度為4 m和5 m時，車輛上方蒸氣濃度大于蒸發(fā)源上方，這也說明了事故車輛的存在對蒸氣的擴散產(chǎn)生了較大影響。

圖5　E，F(xiàn)，G監(jiān)測位置甲醇蒸氣濃度變化Fig. 5　Change of methanol vapor concentration of monitor Location E, F, G

2.3　豎直方向上監(jiān)測位置蒸氣濃度變化分析

圖6為垂直方向上的甲醇蒸氣濃度監(jiān)測結果。可以看出，兩側隧道口處甲醇蒸氣濃度均低于0.1%，但右側隧道口處高于左側，且右側隧道口處地面也存在一定量的蒸氣，表明車輛對蒸氣向左側的擴散產(chǎn)生了阻礙作用；結合I，N，K位置的結果可以發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)3～6 m的高度區(qū)間內(nèi)濃度相對較高，而隧道中下部蒸氣濃度則很低；另外由圖6(d)可以看出，淺液池上方蒸氣濃度明顯較高，1 m以下的空間中已達到爆炸極限，1 m上部的空間濃度也達到了5%。

圖6　I，K，L，N監(jiān)測位置甲醇蒸氣濃度變化Fig. 6　Change of methanol vapor concentration of monitor Location I, K, L, N

圖7　隧道縱向中央截面甲醇蒸氣濃度變化Fig. 7　Methanol vapor concentration changes on the tunnel longitudinal central section

2.4　隧道內(nèi)縱向中央截面蒸氣濃度變化分析

由圖7可以看出，蒸氣在1 min左右時已擴散至車輛上方的隧道拱頂，90 s時蒸氣已擴散至右側隧道口，2 min左右時蒸氣擴散充滿了泄漏側的隧道空間；無風條件下蒸氣擴散時豎直截面上分層規(guī)律性較好，在遠離泄漏源的位置，隧道拱頂?shù)恼魵鈹U散速度要比下部空間快，但濃度較低。車輛的存在對蒸氣擴散產(chǎn)生了較大影響，一方面車輛底部產(chǎn)生了蒸氣積聚，另一方面車輛上方位置濃度也較高，車輛左側隧道中下部空間基本無蒸氣擴散，而上部空間存在蒸氣擴散，且擴散速度較快；另外，泄漏源上方以及右上方蒸氣濃度也較高，由于右側隧道口距離泄漏源較近，左側有障礙車輛的阻擋，因此蒸氣向右側擴散蔓延比較快。

3　結論

1)甲醇的蒸發(fā)速率較快，淺液池產(chǎn)生的蒸氣量較大；液池附近位置以及車輛底部及兩側位置會出現(xiàn)甲醇蒸氣的積聚現(xiàn)象，濃度分層具有一定的規(guī)律性，縱截面濃度分層較為明顯，隧道口距離泄漏源距離較遠時，對蒸氣的擴散不利。

2)甲醇蒸氣主要分布于隧道中下部位置，尤其是距離地面1 m以下的空間，在泄漏源上方、車輛底部、車輛兩側均可能出現(xiàn)蒸氣接近或超過爆炸極限的區(qū)域，屬于危險區(qū)域，而隧道內(nèi)1 m以上的空間中蒸氣濃度相對較低。

3)障礙車輛對隧道內(nèi)甲醇蒸氣的擴散影響較大，一方面其導致了車輛底部和兩側較低位置蒸氣的積聚，另一方面阻礙了蒸氣向對側隧道口的擴散，對蒸氣的擴散產(chǎn)生了不利影響。

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