喻闖闖，羅天培，劉瑞敏，曲 勝，張家仙，趙耀中

(1. 航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；2. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074;3. 北京市航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京100074)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)中低溫甲烷的安全排放研究綜述

喻闖闖1,2,3，羅天培2,3，劉瑞敏2,3，曲 勝2,3，張家仙2,3，趙耀中1,2,3

(1. 航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；2. 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074;3. 北京市航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京100074)

首先對(duì)氣、液態(tài)甲烷的危險(xiǎn)特性進(jìn)行了分析，針對(duì)危險(xiǎn)性最大的重氣擴(kuò)散過(guò)程，詳細(xì)分析了其形成機(jī)理及影響因素。隨后對(duì)國(guó)內(nèi)外重氣擴(kuò)散問(wèn)題的相關(guān)研究進(jìn)行了全面的梳理和總結(jié)，在試驗(yàn)方面，介紹了Burro、Coyote和Falcon系列大型重氣擴(kuò)散經(jīng)典試驗(yàn)；在理論分析和數(shù)值仿真方面，概述了典型重氣擴(kuò)散模型的基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)CFD方法在重氣擴(kuò)散模擬上的應(yīng)用進(jìn)行了較為細(xì)致的介紹。最后結(jié)合液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的具體排放需求，提出了高空排放、燃燒處理及圍堰排放三種排放方式，敘述了各自的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍，并結(jié)合重氣擴(kuò)散特點(diǎn)相應(yīng)地給出優(yōu)化方案。

低溫甲烷；安全處理；重氣；擴(kuò)散；排放

0 引 言

目前，世界范圍內(nèi)航天活動(dòng)繼續(xù)蓬勃發(fā)展，各國(guó)政府持續(xù)推進(jìn)新型航天運(yùn)載器的研制和發(fā)射場(chǎng)的建設(shè)[1]，其中重型火箭及可重復(fù)使用火箭是公認(rèn)的研究熱點(diǎn)。尤其是可重復(fù)運(yùn)載器的研制，它被認(rèn)為是降低發(fā)射和運(yùn)營(yíng)成本，提高發(fā)射頻率，保障航天工業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展的必然之選[2]。美國(guó)Space X公司于2015年12月22日首次成功完成了獵鷹-9號(hào)的一子級(jí)陸地回收，引起了國(guó)際航天界的轟動(dòng)，同時(shí)也開(kāi)啟了人類航天史的新篇章[3]。

在可重復(fù)運(yùn)載器的動(dòng)力選擇上，液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4-12]，因此世界各航天強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相對(duì)其開(kāi)展研究。2016年9月，美國(guó)藍(lán)源公司總裁貝索斯正式宣布其“新格倫”系列運(yùn)載火箭研究計(jì)劃，火箭的第一級(jí)采用7臺(tái)BE-4液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，總推力達(dá)到1743 噸，并且第一級(jí)在發(fā)射分離后可垂直返回重復(fù)使用。俄羅斯化學(xué)自動(dòng)化設(shè)計(jì)局亦于2016年公布其85 噸的液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃，從2002年到2005年間，它曾與歐洲方面一同從事推力200噸的可重復(fù)使用的甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作(項(xiàng)目代號(hào)“伏爾加”)。此外，自2006年起，設(shè)計(jì)局就致力于研制推力203.9 噸的國(guó)產(chǎn)可重復(fù)使用的甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)RD-0162，適配于MRKS-1可重復(fù)使用的航天系統(tǒng)。另外，近30年美俄還陸續(xù)推出了諸如RS-18改進(jìn)型、RD-183/185/190等上面級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。在國(guó)家高技術(shù)863計(jì)劃的支持下，近年我國(guó)也啟動(dòng)了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研工作，提出了推力為60噸量級(jí)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究方案，2013年該發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)試車取得成功。

在液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中，地面試驗(yàn)是其必不可少的環(huán)節(jié)之一。在試驗(yàn)系統(tǒng)的預(yù)冷、試后泄壓以及緊急泄出等階段，會(huì)有大量的低溫氣、液態(tài)甲烷排放，本文以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)中液態(tài)甲烷的安全管理需求為牽引，對(duì)甲烷的危險(xiǎn)特性進(jìn)行了分析，針對(duì)甲烷重氣擴(kuò)散過(guò)程，梳理了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，依據(jù)排放流量的不同分別提出了相應(yīng)的處置方案，同時(shí)提出了后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的研究方向，以期為我國(guó)后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供借鑒和參考。

1 甲烷的危險(xiǎn)性分析

1.1物理性質(zhì)

液態(tài)甲烷沸點(diǎn)為-161 ℃，是一種低溫液體；氣態(tài)甲烷的爆炸體積分?jǐn)?shù)為5%～15%，產(chǎn)生窒息作用的濃度為25%～30%，自動(dòng)點(diǎn)火溫度為540 ℃[10]，具有易燃易爆性。甲烷分子量約為16，是空氣分子量的0.57倍，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)中一般接觸的為低溫甲烷，溫度降低會(huì)使甲烷的密度增大，到一定程度后會(huì)形成比空氣密度更大的“重氣”。甲烷的危險(xiǎn)特性總結(jié)如下：

1)液態(tài)甲烷溫度較低，若與現(xiàn)場(chǎng)人員的皮膚接觸，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的低溫凍傷；若噴射或飛濺到試驗(yàn)設(shè)備上，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生低溫脆性破壞。

2)泄出的液態(tài)甲烷會(huì)從周圍環(huán)境迅速吸熱汽化，并伴隨著超壓及體積迅速膨脹，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生快速相變危害，破壞泄出口附近設(shè)備及建筑物。

3)大量泄出的液態(tài)甲烷從周圍環(huán)境吸熱汽化后會(huì)形成低溫重氣云，沿地面向下風(fēng)向運(yùn)動(dòng)并不斷向外擴(kuò)散，在地表或低洼處會(huì)形成一層可燃性氣體。在可燃邊界內(nèi)，一旦有火源將產(chǎn)生嚴(yán)重的重氣云火災(zāi)。若在封閉或半封閉的試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)發(fā)上泄漏，很有可能發(fā)生爆炸。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)說(shuō)，危險(xiǎn)性最大的為甲烷重氣云的擴(kuò)散特性。處于工作狀態(tài)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)于巨大的火源，并且其尾焰強(qiáng)烈的輻射特性會(huì)使得大面積的周圍環(huán)境升溫[13]，因此在試驗(yàn)過(guò)程中排放的甲烷一旦形成不受控的重氣云，后果不堪設(shè)想。

1.2甲烷重氣云形成過(guò)程機(jī)理

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)中排放的甲烷一般為液態(tài)，從液態(tài)甲烷到形成甲烷重氣云通常歷經(jīng)液態(tài)的汽化、液池的擴(kuò)展和氣云的擴(kuò)散三個(gè)過(guò)程，下面分別對(duì)這三個(gè)過(guò)程展開(kāi)分析。

1.2.1 液態(tài)甲烷的汽化

液態(tài)甲烷從試驗(yàn)系統(tǒng)的貯箱或排放管道泄出時(shí)，壓力迅速降低為大氣壓力，液態(tài)甲烷變?yōu)檫^(guò)熱液體，初始階段液態(tài)甲烷將發(fā)生閃蒸現(xiàn)象(泄出后過(guò)熱液體由于液體的自身熱量而迅速蒸發(fā)的現(xiàn)象稱為閃蒸)[14]。閃蒸作用下液態(tài)甲烷生成甲烷蒸汽和甲烷液滴，當(dāng)排泄口較小或者液態(tài)甲烷排泄量較小時(shí)，泄出的液態(tài)甲烷將全部閃蒸，不會(huì)出現(xiàn)液池。

在環(huán)境溫度已大幅度降低或者大規(guī)模排放液態(tài)甲烷時(shí)，泄出的液態(tài)甲烷只有部分發(fā)生閃蒸，來(lái)不及閃蒸的液態(tài)甲烷會(huì)在地面上形成集聚，產(chǎn)生液池。液池的溫度較低，和周圍環(huán)境之間的溫差較大，液態(tài)甲烷不斷從周圍環(huán)境吸收熱量，蒸發(fā)為氣態(tài)并形成低溫蒸汽云。液池與環(huán)境之間的熱交換方式主要為熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，如圖1所示，液態(tài)甲烷蒸發(fā)過(guò)程主要受地面(接觸面)的導(dǎo)熱，太陽(yáng)的輻射熱以及大氣的對(duì)流換熱影響，其中地面導(dǎo)熱占所有傳熱的80%以上。

1.2.2 液池的擴(kuò)展

液池初始形成時(shí)蒸發(fā)速率大，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，液池會(huì)在初速度和重力的作用下進(jìn)行擴(kuò)展。假如液態(tài)甲烷垂直泄于地面，將形成圓形液池，液池半徑是時(shí)間的函數(shù)；而如果泄出的液態(tài)甲烷具有水平方向的初速度，液池在該方向上的擴(kuò)展距離會(huì)大于其他方向，因此形成的液池不再是圓形。

液池的擴(kuò)展主要受熱交換和動(dòng)量因素的影響[16]。熱交換影響液池的蒸發(fā)速率，從而影響液池的大小與擴(kuò)展；動(dòng)量因素影響驅(qū)動(dòng)液池向外擴(kuò)展的力，如慣性力、粘性力、摩擦力和重力。動(dòng)量在液池?cái)U(kuò)展的初始階段起主要作用，液池開(kāi)始衰退時(shí)，摩擦和熱量傳遞的影響變得顯著。液池的蒸發(fā)速率、液池的大小與擴(kuò)展，決定了釋放到大氣中的氣體量，是決定氣云擴(kuò)散及危險(xiǎn)域的主要因素。

Webber等[17]列出了工程上常用的液池?cái)U(kuò)展模型，但大部分模型是基于1970年代不易揮發(fā)液體溢出的研究工作，難以考慮上述液態(tài)甲烷液池?cái)U(kuò)展的復(fù)雜性。

1.2.3 氣云的擴(kuò)散

該過(guò)程為試驗(yàn)臺(tái)安全管理最為關(guān)注的過(guò)程。液態(tài)甲烷蒸發(fā)形成的氣云屬于重氣云，區(qū)別于輕氣體擴(kuò)散隨氣流直接飄散的被動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程，重氣存在重力下沉的現(xiàn)象，其擴(kuò)散是沿地面向下風(fēng)向進(jìn)行擴(kuò)散的(見(jiàn)圖2)，因此擴(kuò)散過(guò)程受地貌環(huán)境影響[15]。

一般情況下，低溫重氣的擴(kuò)散過(guò)程可分為以下四個(gè)階段：重力沉降階段、空氣卷吸階段、重氣擴(kuò)散向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變階段以及被動(dòng)擴(kuò)散階段[19-22]。

1)重力沉降階段：此時(shí)氣云密度大于空氣密度，在重力的作用下，重氣云產(chǎn)生塌陷，同時(shí)沿風(fēng)向擴(kuò)展，氣云的高度降低，半徑變大，云團(tuán)變得又扁又寬。該階段重力起主要作用，大氣湍流作用不明顯。

2)空氣卷吸階段：重氣下沉使氣云內(nèi)部產(chǎn)生湍流，氣云側(cè)面生成渦旋，從而卷吸進(jìn)空氣。隨著重力下沉作用的減弱，大氣湍流在氣云頂部引起的卷吸作用逐漸占主導(dǎo)作用。空氣卷吸量為側(cè)面和頂部卷吸量之和，氣云被卷吸進(jìn)的空氣稀釋，濃度不斷降低。

3) 重氣擴(kuò)散向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變階段：空氣卷吸過(guò)程使云團(tuán)不斷被稀釋，而且低溫氣云與環(huán)境的換熱使氣云溫度逐漸升高，氣云密度逐漸降低。該過(guò)程重力作用不斷減弱，大氣湍流作用不斷加強(qiáng)，云團(tuán)在垂直方向上的擴(kuò)散加強(qiáng)，云團(tuán)高度增加。該過(guò)程氣云的Ri數(shù)不斷減小，當(dāng)小于臨界值Ri0時(shí)[23](一般取值為10)，重氣擴(kuò)散過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧鈹U(kuò)散過(guò)程。Ri數(shù)(Richardson數(shù))為重氣擴(kuò)散過(guò)程判斷依據(jù)，它是質(zhì)點(diǎn)的湍流作用導(dǎo)致的重力加速度的變化值與高度為h的云團(tuán)由于周圍空氣對(duì)其剪切力作用而產(chǎn)生的加速度的比值，其表達(dá)式為：

(1)

式中，ρ、ρa(bǔ)分別為云團(tuán)、空氣的密度，單位kg/m3；g為重力加速度，單位m/s2；h為氣云高度，單位m；ν為空氣對(duì)氣云的剪切力所導(dǎo)致的摩擦速度，單位m/s。

4)被動(dòng)擴(kuò)散階段：氣云密度小于周圍空氣密度，重氣沉降作用基本消失，氣云向高處及下風(fēng)向擴(kuò)散明顯。此時(shí)氣云的擴(kuò)散主要受大氣湍流控制。

1.3重氣云擴(kuò)散影響因素分析

1.3.1 初始釋放狀態(tài)

初始狀態(tài)如排泄溫度、排泄壓力、排泄口空間布置及截面積、排泄時(shí)間等均影響重氣云的形成及擴(kuò)散過(guò)程。排泄溫度影響低溫氣云的密度，進(jìn)而影響重氣云的形成，影響與環(huán)境的換熱過(guò)程的劇烈程度；排泄壓力、排泄口空間布置及截面積影響氣云的初始速度，影響與環(huán)境的換熱與混合過(guò)程；排泄時(shí)間影響重氣云的總熱容。

1.3.2 大氣環(huán)境

環(huán)境溫度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、空氣濕度等均影響重氣云與環(huán)境的熱量交換過(guò)程。風(fēng)速影響重氣云與大氣間的傳熱傳質(zhì)過(guò)程及氣云擴(kuò)散的速度，大氣湍流即風(fēng)速的脈動(dòng)影響重氣云與大氣間的混合，空氣濕度影響大氣的密度及熱容，從而影響重氣云轉(zhuǎn)換為非重氣云的時(shí)間。

1.3.3 地形及障礙物

地表風(fēng)速受地表粗糙度及高度影響，實(shí)際風(fēng)場(chǎng)被稱為大氣邊界層梯度風(fēng)。地形影響大氣邊界層風(fēng)剖面的分布及風(fēng)速的脈動(dòng)特性，障礙物使風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響風(fēng)速及湍流度的分布。

2 重氣云擴(kuò)散相關(guān)研究

2.1大型試驗(yàn)研究

為了研究重氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程及其影響因素，同時(shí)也為計(jì)算模型的建立提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)，從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始，國(guó)外學(xué)者利用不同重氣在不同條件下陸續(xù)進(jìn)行了一系列現(xiàn)場(chǎng)泄放試驗(yàn)，并獲得了大量具有極高利用價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。著名的系列試驗(yàn)如表1所示。

表1 國(guó)外大型現(xiàn)場(chǎng)重氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)[24]

2.1.1 Burro系列試驗(yàn)

Burro現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由美國(guó)能源部和氣體研究所發(fā)起，由美國(guó)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室LLNL進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為加州的中國(guó)湖海軍武器中心。該試驗(yàn)將LNG泄放于直徑58 m、深1 m的水池表面，泄放管位于水池中央，內(nèi)徑為25 cm。試驗(yàn)總共進(jìn)行了8次，泄放量的范圍為24-39 m3，泄放速率范圍為11.3-18.4 m3/min，風(fēng)速1.8-9.1 m/s，大氣穩(wěn)定條件為不穩(wěn)定到輕穩(wěn)定度等級(jí)。泄漏源下風(fēng)向不同位置不同高度布置有傳感器，測(cè)量風(fēng)速及方向、溫度、濕度、氣體濃度和地面熱流等參數(shù)，以研究不同條件下LNG泄漏擴(kuò)散特性。

Burro試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備精度高且數(shù)量多，參數(shù)測(cè)量較為全面，得到了較多有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中Burro3、7、8、9號(hào)試驗(yàn)常被國(guó)內(nèi)外學(xué)者用于模型的校驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 Burro試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在不同的大氣穩(wěn)定度等級(jí)下進(jìn)行。Burro 3試驗(yàn)泄漏速率最小，風(fēng)速居中，大氣穩(wěn)定度等級(jí)最低，因此氣云擴(kuò)散速度最快，測(cè)得的LFL(燃燒下限濃度)最遠(yuǎn)位置在泄漏點(diǎn)下風(fēng)向180 m處，該值為所有試驗(yàn)值的最小值。Burro 7試驗(yàn)泄漏速率較小，但泄漏量最大，風(fēng)速最大，大氣穩(wěn)定度為輕不穩(wěn)定，測(cè)得的LFL最遠(yuǎn)位置在下風(fēng)向240 m處。Burro 8試驗(yàn)泄漏速率較大，風(fēng)速最小，大氣穩(wěn)定度為輕穩(wěn)定等級(jí)，在系列試驗(yàn)中最高，測(cè)得LFL最遠(yuǎn)位置在下風(fēng)向445 m處。該試驗(yàn)中重力下沉現(xiàn)象最明顯，觀察到的氣云比其他試驗(yàn)均更寬更低，該重氣云像固體一般，大氣風(fēng)從其上面吹過(guò)，大氣湍流的卷吸作用不明顯，該試驗(yàn)被認(rèn)為是研究重氣泄漏擴(kuò)散最有效的試驗(yàn)。Burro 9試驗(yàn)泄漏速率最大，試驗(yàn)中RPTs(快速相變)現(xiàn)象最為明顯，使部分試驗(yàn)設(shè)備受到了損傷[22]。

2.1.2 Coyote系列試驗(yàn)

Coyote試驗(yàn)的場(chǎng)地與Burro試驗(yàn)相同，試驗(yàn)儀器的布置與Burro 8近似，并增加了紅外成像儀和火焰速度測(cè)量裝置等儀器，以研究快速相變現(xiàn)象、重氣擴(kuò)散及池火災(zāi)現(xiàn)象。試驗(yàn)測(cè)得了較為詳盡的重氣擴(kuò)散數(shù)據(jù)，其中Coyote 3、5、6和7號(hào)試驗(yàn)常被用于重氣泄漏擴(kuò)散模型的校驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)條件如表3所示。

表3 Coyote試驗(yàn)條件

2.1.3 Falcon系列試驗(yàn)

Falcon系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由美國(guó)運(yùn)輸部和氣體研究所發(fā)起，由美國(guó)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室LLNL進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)華達(dá)州的內(nèi)華達(dá)氣體試驗(yàn)基地。該試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示，LNG通過(guò)水池正上方的管路泄放于水池表面，泄放管路由4個(gè)相互垂直的支管組成，支管管徑為15.24 cm，支管出口附近安裝有截流孔板，防止管內(nèi)發(fā)生閃蒸。泄漏口下方有帶錐的圓盤，以防止泄出的LNG沉入水中。方形水池尺寸為60 m×40 m×0.76 m，池內(nèi)裝有水循環(huán)系統(tǒng)，以維持水溫恒定。以上布置均為使LNG快速蒸發(fā)。水池上風(fēng)向設(shè)有擋板，其尺寸為17.1 m×13.3 m，水池周圍設(shè)有圍堰，尺寸為88 m×44 m×8.7 m，泄漏口上、下風(fēng)向設(shè)有溫度測(cè)量?jī)x、濃度傳感器、風(fēng)速測(cè)量?jī)x等測(cè)量?jī)x器，以評(píng)估圍堰、擋板對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響。

Falcon系列試驗(yàn)包括5次LNG泄放試驗(yàn)，泄放速率范圍為8.7 m3/min～30.3 m3/min，泄放體積為20.6 m3～66.4 m3，風(fēng)速為1.7 m/s～5.2 m/s，大氣穩(wěn)定度為穩(wěn)定。其中Falcon 2號(hào)試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)不能確定，F(xiàn)alcon 5號(hào)試驗(yàn)中快速相變現(xiàn)象較為顯著，泄漏開(kāi)始后81 s時(shí)氣云被點(diǎn)燃，幾乎毀壞了所有的試驗(yàn)設(shè)備。

大型現(xiàn)場(chǎng)泄放試驗(yàn)不僅能深入研究重氣泄漏擴(kuò)散特性，而且為重氣泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的開(kāi)展也存在如下困難：人力、物力和財(cái)力的消耗較大，開(kāi)展周期長(zhǎng)；氣象條件復(fù)雜，測(cè)點(diǎn)布置困難，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量難以保證；試驗(yàn)存在風(fēng)險(xiǎn)，容易引發(fā)事故。因此重氣泄漏擴(kuò)散大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的開(kāi)展主要集中于研究初期，隨后的研究工作主要集中在數(shù)值模擬方面。

2.2數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬具有研究成本低、研究周期短、安全方便、可重復(fù)性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了研究重氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究工作，研究?jī)?nèi)容主要包括重氣泄漏擴(kuò)散特性及影響因素、危險(xiǎn)評(píng)估及泄漏事故危險(xiǎn)控制等。數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單易用、計(jì)算耗時(shí)短，有的甚至僅需幾秒就能得到危險(xiǎn)域，且具有一定的準(zhǔn)確度[22]，因此在實(shí)際的工程計(jì)算、泄漏事故的危險(xiǎn)預(yù)估方面被大量使用。相關(guān)模型可分為專有模型及通用CFD模型兩類。

2.2.1 專有模型

較有代表性的專有模型包括高斯模型、經(jīng)驗(yàn)唯象模型、箱及相似模型、淺層模型等。國(guó)外的Hanna 等[25]和Habib等[26]，國(guó)內(nèi)的唐建峰等[27]、馮志華等[28]對(duì)各類模型進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了各典型模型及計(jì)算軟件的適用情況，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了精度分析，研究結(jié)果整理如表4所示。

表4 典型模型適用情況[15]

1)高斯模型：高斯模型基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論研究擴(kuò)散介質(zhì)的濃度分布問(wèn)題，主要針對(duì)輕氣體擴(kuò)散。高斯模型提出時(shí)間較早，簡(jiǎn)單易算，模型較為成熟，計(jì)算結(jié)果具有一定的精度，在上世紀(jì)八十年代早期應(yīng)用廣泛。修正的高斯模型MTB模型是最早用于模擬LNG重氣泄漏擴(kuò)散的模型，但因未考慮重力因素，模擬精度較差[29]。

2)經(jīng)驗(yàn)唯象模型：唯象模型是指根據(jù)大量重氣泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的一系列圖表及簡(jiǎn)單關(guān)系式[30]。Britter等[31]收集了大量的重氣連續(xù)泄放和瞬時(shí)泄放的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制了一系列圖表，Hanna等[30]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了無(wú)因此處理，得到了與試驗(yàn)曲線基本吻合的解析公式，此即所謂的B&M模型。B&M模型是典型的經(jīng)驗(yàn)唯象模型，簡(jiǎn)單易用，計(jì)算量小。但是該類模型局限性大，不能適用于其導(dǎo)出范圍之外的場(chǎng)景，可用作基礎(chǔ)的篩選模型，應(yīng)用受限。

3)箱及相似模型：Ulden[32]在重氣瞬時(shí)泄放試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，觀察到的氣云橫向擴(kuò)散參數(shù)是中性氣體的4倍，垂向擴(kuò)散參數(shù)是中性氣體的1/4，他稱之為重力下沉現(xiàn)象，并對(duì)此第一次提出箱模型概念。箱模型將重氣云簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體箱，其初始狀態(tài)為：半徑R0，高度H0，體積V0。擴(kuò)散初期氣云在重力的作用下下沉，對(duì)應(yīng)的圓柱箱體高度減小，半徑增大，擴(kuò)散中空氣卷吸現(xiàn)象發(fā)生在箱體的上部和側(cè)面。箱模型假設(shè)側(cè)風(fēng)向任意處氣云的濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等均為矩形分布，即氣云內(nèi)分布均勻，其他地方為零?？梢?jiàn)箱模型只能計(jì)算重氣云團(tuán)的整體特征，如氣云平均半徑，常被用來(lái)計(jì)算封閉條件下大氣污染物的濃度分布問(wèn)題[22]。

相似模型是以箱模型概念為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的模型，它假定側(cè)風(fēng)向任意處氣云的濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等均為相似分布(如高斯分布)，該模型考慮了重氣云內(nèi)擴(kuò)散引起的參數(shù)不均勻分布，并利用湍流擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算卷吸空氣過(guò)程。應(yīng)用較廣泛的有DEGADIS模型[33]和挪威公司DNV自主研制的PHAST軟件[34]。

箱及相似模型物理概念清晰，計(jì)算量較小，使用方便，對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散模擬的結(jié)果具有較好的精度，適用于危險(xiǎn)事故的快速評(píng)價(jià)。但是該類模型存在局限：模型進(jìn)行了氣云參數(shù)的自相似分布假設(shè)，會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)界面的存在，模擬結(jié)果存在不確定性；未考慮避免效應(yīng)，模擬帶有障礙物(儲(chǔ)罐、圍堰等)的情況時(shí)精度較差[35]，需進(jìn)行模型的修正。

4)淺層模型：淺層模型采用淺水方程描述重氣泄漏擴(kuò)散的實(shí)際物理過(guò)程。淺水理論假設(shè)流體的特性(溫度，速度等)在厚度方向不變，僅是橫向位置的函數(shù)，因此該類模型可視為二維模型。

箱及相似模型等一維模型，假設(shè)太多而導(dǎo)致不能很好地描述重氣泄漏擴(kuò)散的實(shí)際物理過(guò)程。三維模型雖能很好地描述實(shí)際過(guò)程，但是計(jì)算復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。淺層模型介于兩者之間，既克服了一維模型過(guò)于簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，又結(jié)合重氣擴(kuò)散過(guò)程特點(diǎn)對(duì)其控制方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，能夠準(zhǔn)確的描述重氣擴(kuò)散過(guò)程場(chǎng)的變化。美國(guó)LLNL開(kāi)發(fā)的SLAB模型[36]是典型的淺層模型，可以模擬不同泄放源的重氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程。該類模型使用簡(jiǎn)單、計(jì)算快速，工程應(yīng)用中使用較多，但是不能考慮建筑物以及地形變化等復(fù)雜情況[22]。

2.2.2 CFD模型

近年隨著計(jì)算機(jī)能力的不斷提高，越來(lái)越多的重氣擴(kuò)散研究開(kāi)始應(yīng)用CFD模型。同上述模型相比，CFD模型可模擬復(fù)雜地形或障礙物對(duì)重氣擴(kuò)散的影響，能在三維空間和時(shí)間上提供最詳細(xì)的變量場(chǎng)[18]。

England等[37]最早采用CFD方法模擬重氣擴(kuò)散的物理過(guò)程，通過(guò)建立SIGMET數(shù)學(xué)模型，模擬了LNG蒸汽云的擴(kuò)散過(guò)程。Giannissi等[38]利用ADREA-HF軟件包模擬了Falcon 1泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)，并對(duì)比了不同源項(xiàng)模擬方法的計(jì)算精度。Olewski等[39]通過(guò)耦合力平衡方程、能量方程以及相變方程，建立了LNG泄漏擴(kuò)散池模型，并對(duì)瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏過(guò)程進(jìn)行了模擬；并用FLACS軟件分析了水幕對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響，為L(zhǎng)NG泄漏擴(kuò)散的抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。成熟的商用軟件Fluent[40-45]和CFX[46-52]也在重氣擴(kuò)散研究中得到廣泛的應(yīng)用，并有相當(dāng)高的精度。

但目前大多的CFD模型采用了簡(jiǎn)化手段，適用范圍不寬。早期的經(jīng)典試驗(yàn)(Burro，Coyote，F(xiàn)alcon)均將甲烷(LNG)直接泄于水面上，這會(huì)造成甲烷的快速蒸發(fā)，蒸發(fā)的速率基本等于排放速率，因此這些模型大多不考慮相變以及液態(tài)甲烷和水的相互作用，直接將水池的表面當(dāng)做計(jì)算域的入口，將該入口的成分設(shè)置成全部氣態(tài)甲烷，采用單相流動(dòng)方法計(jì)算。顯然，這種方法不具備普適性，當(dāng)液態(tài)甲烷向地面或混凝土等排放時(shí)，由于其較低的熱擴(kuò)散系數(shù)，液態(tài)甲烷在初始的快速蒸發(fā)后會(huì)形成液池，蒸發(fā)速率也會(huì)顯著下降，這時(shí)采用這種簡(jiǎn)化方法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度大幅下降。

3 幾種可選的排放方式

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)中甲烷排放的基本原則是避免甲烷重氣云和火源接觸，針對(duì)上文所述低溫甲烷特點(diǎn)，可考慮應(yīng)用下面三種排放方式。

3.1高空排放

高空排放是最簡(jiǎn)單的排放方式，同時(shí)具有操作方便、成本較低等特點(diǎn)，在低溫氫的處理上得到了廣泛的應(yīng)用[53]，該種方式適用于小流量的甲烷排放。如圖4所示，排放的液態(tài)甲烷經(jīng)過(guò)長(zhǎng)管路的換熱后首先會(huì)汽化，隨后氣態(tài)的甲烷會(huì)不斷升溫，當(dāng)氣態(tài)甲烷溫度足夠高、密度足夠小時(shí)，從排放口釋放的甲烷會(huì)向上或者水平飄散。排放管采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，同時(shí)管口顯著高于周圍建筑物，這樣就避免了甲烷同火源及其他障礙物接觸，保證了排放的安全。

一般而言，一套完整的高空排放系統(tǒng)主要由排放管、吹除裝置、放水閥等組成。此外，有些排放管還裝有防火器、自感式針尖消電器、單向閥等，對(duì)于較粗的排放管，還應(yīng)安裝金屬網(wǎng)，防止鳥及鳥毛、昆蟲等進(jìn)入排放管。通常每次排放前系統(tǒng)都需進(jìn)行吹除置換，避免甲烷蒸汽和空氣在排放管內(nèi)混合。

3.2燃燒處理

如前文所述，高空排放只適用于小流量的甲烷排放。當(dāng)排放流量增大時(shí)，為保證換熱充分、甲烷氣云不下沉就需要增加換熱管的面積，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)規(guī)模加大。中等流量的甲烷排放通常采用燃燒處理的方法，燃燒處理一般有火炬煙囪和燃燒池兩種方式。

3.2.1 火炬煙囪

火炬煙囪廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域用，用于處理石油開(kāi)采、化工生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣?；鹁鏌焽柘到y(tǒng)主體結(jié)構(gòu)和高空排放系統(tǒng)類似，區(qū)別在于排放管末端增加了點(diǎn)火裝置，結(jié)構(gòu)如圖5所示，它主要由火炬頭、分子密封器、氮?dú)獯党到y(tǒng)、單向閥、燃?xì)?如丙烷)供應(yīng)裝置、點(diǎn)火器等組成。

火炬煙囪的原理是通過(guò)人為點(diǎn)燃甲烷蒸汽，使其在空氣中燃燒，進(jìn)而消除可燃重氣云?；鹁嫒紵畲蟮娜毕菔腔鼗穑绻麖幕鹁骖^排放的甲烷氣體和速度和流量較小，低于燃燒速度時(shí)，則火焰會(huì)倒飄入煙囪內(nèi)引發(fā)回火，因此火炬煙囪處理不適合間歇式、流量范圍跨度大的甲烷氣體排放情況。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)說(shuō)，由于試驗(yàn)中的各階段甲烷的排放流量和壓力很不穩(wěn)定且變化范圍較大，不同于石油化工廠定壓定流量的穩(wěn)定燃燒情況，應(yīng)謹(jǐn)慎使用火炬煙囪方式。

3.2.2 燃燒池

燃燒池是另一種采用燃燒處理可燃?xì)怏w的方式，它克服了火炬煙囪排放存在的回火問(wèn)題，同時(shí)處理可燃?xì)怏w的能力大大增加，是目前公認(rèn)為最安全可靠、處理能力最大的方式。

燃燒池結(jié)構(gòu)如圖6所示，它由送氣管、單向閥、分配主管、豎管、泡罩帽、水池和點(diǎn)火裝置組成。甲烷氣體從泡罩帽下緣逸出水面，利用分布于水池四周的多個(gè)點(diǎn)火器點(diǎn)燃，甲烷氣體在水面上與空氣混合燃燒，池水既能防止回火，又能有效阻止外界空氣進(jìn)入排放管，起到水封作用。燃燒池還具有適應(yīng)可燃?xì)怏w流量大幅度波動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在試驗(yàn)的不同階段排放甲烷流量跨度較大的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)和大流量加注的火箭發(fā)射場(chǎng)。

3.3圍堰排放

在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，某些緊急情況需要大流量的泄出液態(tài)甲烷，這時(shí)可采用圍堰排放的方式。如圖7所示，泄出的甲烷經(jīng)排放管引流排入積液池，積液池四周砌有圍堰。池內(nèi)液態(tài)甲烷通過(guò)與周圍環(huán)境的換熱會(huì)逐漸氣化，積液池和圍堰的存在限制了甲烷氣云的橫向擴(kuò)散，而在豎直方向上擴(kuò)散出圍堰的甲烷氣體密度已較小，會(huì)不斷向上攀升，因此相比于高空排放，圍堰排放形成的氣云擴(kuò)散范圍要小很多。但該種排放方式需要綜合考慮風(fēng)向、風(fēng)速及圍堰周圍環(huán)境等。

4 后續(xù)應(yīng)開(kāi)展的研究方向

4.1數(shù)值模型研究

前文提到，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)中甲烷排放的基本原則是避免甲烷重氣云和火源接觸。目前的數(shù)值模型主要著眼于氣云的擴(kuò)散過(guò)程，而對(duì)液態(tài)甲烷的相變、液態(tài)甲烷與地面或水的相互作用以及液池的形成和擴(kuò)展等過(guò)程研究甚少，大多直接予以簡(jiǎn)化。顯然，簡(jiǎn)化的模型無(wú)法直接用于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)估。

另外，文獻(xiàn)[40-41]指出重氣與大氣的摻混及隨后的擴(kuò)散過(guò)程主要受當(dāng)?shù)氐耐牧鲝?qiáng)度影響，而相變等過(guò)程會(huì)造成當(dāng)?shù)氐耐牧鲝?qiáng)度急劇增加，并伴隨著局部漩渦的大量生成，這會(huì)直接影響到模型預(yù)測(cè)的精度。尤其當(dāng)液態(tài)甲烷排放于圍堰中時(shí)，大氣湍流對(duì)圍堰內(nèi)環(huán)境影響很小，相變等過(guò)程對(duì)整個(gè)氣云發(fā)展的影響更為明顯。因此，開(kāi)發(fā)可模擬整個(gè)排放過(guò)程的完整數(shù)值模型對(duì)開(kāi)展甲烷的安全處理研究具有重要意義，具體的模型研究可按以下三點(diǎn)開(kāi)展：

1)源項(xiàng)對(duì)重氣云擴(kuò)散過(guò)程的影響，涉及泄出液相的閃蒸過(guò)程、液池的擴(kuò)展及氣液兩相間復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)等；

2)空氣濕度對(duì)重氣云擴(kuò)散過(guò)程的影響；

3)地面?zhèn)鳠峒耙合嘈狗艜r(shí)沸騰過(guò)程的影響。

4.2三種排放方式的工程化研究

4.2.1 高空排放

高空排放是最簡(jiǎn)單的排放方式，然而，高空排放的處理能力有限，當(dāng)甲烷的排放流量增加到一定程度，甲烷的升溫程度不夠后，會(huì)產(chǎn)生重氣云下沉現(xiàn)象，危及試驗(yàn)臺(tái)安全。在北京某研究所內(nèi)某次甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)試車采用了該種排放方式，在試車過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰引燃了下沉的甲烷氣云，進(jìn)而引燃了周圍的樹(shù)林，發(fā)生了著火事故。

影響高空排放效果的直接因素為甲烷與管壁的換熱以及排放管口甲烷蒸汽與大氣的摻混過(guò)程。后續(xù)應(yīng)開(kāi)展的關(guān)鍵技術(shù)研究包括：

1)甲烷與管壁的沸騰換熱及對(duì)流換熱規(guī)律研究；

2)不同排放口形式對(duì)甲烷、大氣摻混過(guò)程的影響；

3)吹除管路布置、吹除流量對(duì)管內(nèi)置換作用的影響。

以上關(guān)鍵技術(shù)掌握后，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)甲烷排放需求及具體參數(shù)，結(jié)合大氣條件進(jìn)行模擬分析可行性，必要時(shí)可在排放管上增設(shè)加熱裝置以加強(qiáng)對(duì)甲烷的加溫作用。

4.2.2 燃燒處理

燃燒處理可消除重氣云擴(kuò)散的潛在危害，是一種相對(duì)來(lái)說(shuō)較安全的排放方式。該種排放方式需突破的關(guān)鍵技術(shù)為：

1)高可靠點(diǎn)火技術(shù)。試驗(yàn)臺(tái)排放的甲烷流量跨度大而且為間歇式，點(diǎn)火裝置的設(shè)計(jì)須保證在大跨度的排放流量下均能可靠點(diǎn)火，否則有爆燃風(fēng)險(xiǎn)。其中電點(diǎn)火器+氫氣長(zhǎng)明燈的方式可作為主要研究方向。氫氣在空氣中的擴(kuò)散速度快，點(diǎn)燃能量低，所需的理論空氣量最少。同時(shí)氫氣燃燒能夠產(chǎn)生極高的燃燒熱值，在流量相同的條件下，氫氣的燃燒熱約是乙炔的3倍，最容易點(diǎn)燃甲烷氣云。

2)防回火設(shè)計(jì)?；鹁嫒紵绞疆?dāng)火炬頭排放的甲烷流量低于燃燒速度時(shí)，火焰會(huì)倒飄入煙囪內(nèi)引發(fā)回火。后續(xù)研究可從阻火器設(shè)計(jì)及氣封系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手。其中阻火器設(shè)計(jì)可考慮采用迷宮結(jié)構(gòu)等，而氣封系統(tǒng)可考慮使用氮?dú)獯党绞绞构艿纼?nèi)始終保持一定壓力，防止燃?xì)獾沽魅牍艿馈?/p>

4.2.3 圍堰排放

圍堰排放方式的核心是將可燃?xì)庠葡拗圃谟邢薜目臻g內(nèi)，影響圍堰排放效果的直接因素為液態(tài)甲烷的蒸發(fā)規(guī)律及甲烷氣云與大氣的摻混規(guī)律。后續(xù)應(yīng)結(jié)合數(shù)值模型的開(kāi)發(fā)一起開(kāi)展以下研究：

1)不同圍堰結(jié)構(gòu)形式對(duì)甲烷和大氣摻混的抑制作用研究；

2)環(huán)境(溫度、濕度、風(fēng)速等)對(duì)圍堰排放效果的影響；

3)圍堰底部及內(nèi)壁與甲烷的傳熱規(guī)律及甲烷的蒸發(fā)規(guī)律研究。

5 結(jié) 論

本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中的低溫甲烷安全處理需求，對(duì)低溫甲烷的危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析，針對(duì)危害性最大的重氣擴(kuò)散過(guò)程，梳理了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果和最新進(jìn)展。依據(jù)低溫甲烷以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)特點(diǎn)，提出了高空排放、燃燒處理及圍堰排放三種排放方法，并給出了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)途徑和后續(xù)的研究方向，可為液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)提供借鑒和參考。

[1] 龍雪丹, 劉暢, 文朝霞, 等. 2016年國(guó)外航天運(yùn)載器及彈道導(dǎo)彈發(fā)展回顧[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2017(1): 5-9. [Long Xue-dan, Liu Chang, Wen Zhao-xia, et al. Review of world launch vehicle and ballistic missile in 2016[J]. Missiles and Space Vehicles, 2017(1): 5-9.]

[2] 李志杰, 果琳麗, 張柏楠, 等. 國(guó)外可重復(fù)使用載人飛船發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 航天器工程, 2016, 25(2): 106-112. [Li Zhi-jie, Guo Lin-li, Zhang Bai-nan, et al. Study on development status and key technologies of reusable manned spacecraft [J]. Spacecraft Engineering, 2016, 25(2): 106-112.]

[3] 鄭雄, 楊勇, 姚世東, 等. 法爾肯9可重復(fù)使用火箭發(fā)展綜述[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2016(2): 39-46. [Zheng Xiong, Yang Yong, Yao Shi-dong, et al. Survey and review on development of falcon 9 reusable rocket [J]. Missiles and Space Vehicles, 2016(2): 39-46.]

[4] Stone R, Tiliakos N, Balepin V. Altitude testing of LOX-methane rocket engines at ATKGASL[C]. Aiaa Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, Washington, USA, June 23-26, 2008.

[5] Gaetan L E, Danous P, Dantu G, et al. First firing test campaign of European staged-combustion demonstration[C]. Aiaa/asme/sae/asee Joint Propulsion Conference & Exhibit, Colorado, USA, August 2-5, 2009.

[6] Yoshida M, Takada S, Naruo Y. Design and operational concepts for reusable rocket engine[C]. Aiaa/asme/sae/asee Joint Propulsion Conference & Exhibit, Colorado, USA, August 2-5, 2009.

[7] 王珺, 張衛(wèi)紅, 石文靚, 等. 60t級(jí)液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程建模與仿真[J]. 火箭推進(jìn), 2013, 39(5): 16-22. [Wang Jun, Zhang Wei-hong, Shi Wen-jing, et el. Modeling and simulation of start-up process of 60 t class LOX/methane liquid rocket engine [J]. Journal of Rocket Propulsion, 2013, 39(5): 16-22.]

[8] 曹紅娟, 趙海龍, 蔡震宇, 等. 登月下降級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)方案研究[J]. 載人航天, 2016, 22(2): 29-34. [Cao Hong-juan, Zhao Hai-long, Cai Zhen-yu, et al. The research scheme of lunar descent engine using LOX/methane [J]. Manned Spaceflight, 2016, 22(2): 29-34.]

[9] 李文龍, 李平, 鄒宇. 烴類推進(jìn)劑航天動(dòng)力技術(shù)進(jìn)展與展望未來(lái)[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2015, 36(3):243-252. [Li Wen-long, Li Ping, Zou Yu. Review and future trend of space propulsion technique using hydrocarbon propellants [J]. Journal of Astronautics, 2015, 36(3): 243-252.]

[10] 孫宏明. 液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)述[J]. 火箭推進(jìn), 2006, 32(2): 23-31. [Sun Hong-ming. Review of liquid oxygen/methane rocket engine [J]. Journal of Rocket Propulsion, 2006, 32(2): 23-31.]

[11] 方昕昕, 沈赤兵. 液氧/甲烷小推力發(fā)動(dòng)機(jī)及其變推力技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2015(4): 88-95. [Fang Xin-xin, Shen Chi-bing. Review of small thrust liquid oxygen/methane engine and its variable thrust technique [J]. Aerodynamic Missile Journal, 2015(4): 88-95.]

[12] 禹天福, 李亞裕. 液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景[J]. 航天制造技術(shù), 2007(2): 4-7,13. [Yu Tian-fu, Li Ya-yu. The application prospect of LOX/CH4 engine [J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2007(2): 4-7,13.]

[13] 羅天培, 卜玉, 李茂, 等. 某型運(yùn)載火箭一子級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)尾流輻射場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2016, 4(4): 67-71. [Luo Tian-pei, Bu Yu, Li Mao, et al. Numerical investigations of tail radiation fields of a launch vehicle first stage test [J]. Missiles and Space Vehicles, 2016, 4(4): 67-71.]

[14] 蔡鳳英, 談宗山, 孟赫. 化工安全工程[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2009.

[15] 王彬. 大型LNG儲(chǔ)罐泄漏事故重氣擴(kuò)散行為模擬及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化研究[D]. 北京：北京化工大學(xué), 2014. [Wang Bin. Research on heavy gas dispersal behaviors of large LNG tank leakage accident and layout optimization of detectors [D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2014.]

[16] Basha O, Olewski T, Vechot L, et al. Modeling of pool spreading of LNG on land [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 30(3): 307-314.

[17] Webber D M, Gant S E, Ivings M J, et al. LNG source term models for hazard analysis: A review of the state-of-the-art and an approach to model assessment[R]. Quincy: The Health and Safety Laboratory, 2009.

[18] 莊學(xué)強(qiáng). 大型液化天然氣儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2012. [Zhuang Xue-qiang. Numerical simulation for LNG release & dispersion from large scale tank [D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012.]

[19] Fardisi S, karim G A. Analysis of the dispersion of a fixed mass of LNG boil off vapor from open to the atmosphere vertical containers [J]. Fuel, 2011, 90(1): 54-63.

[20] Melton T A, Comwell J B. LNG trench dispersion modeling using computational fluid dynamics [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2010, 23(6): 762-767.

[21] Dorota S, Markowski A S, Mannan M S. LNG trench dispersion modeling using computational fluid dynamics [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2010, 23(6): 762-767.

[22] 李雪. 液化天然氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程數(shù)值模擬[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2015. [Li Xue. The numerical simulation of LNG leakage and dispersion [D]. Dalian: DaLian University of Technology, 2015.]

[23] 黃琴, 蔣軍成. 重氣擴(kuò)散研究綜述[J]. 安全與環(huán)境工程, 2007, 14(4): 36-39. [Huang Qin, Jiang Jun-cheng. A general review of studies on heavy gas dispersion [J]. Safety and Environment Engineering, 2007, 14(4): 36-39.]

[24] 丁信偉, 王淑蘭, 徐國(guó)慶. 可燃及毒性氣體泄漏擴(kuò)散研究綜述[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程, 1999, 16(2): 58-62. [Ding Xin-wei, Wang Shu-lan, Xu Guo-qing. A review of studies on the discharging dispersion of flammable and toxic gases [J]. Chemical Industry and Engineering, 1999, 16(2): 58-62.]

[25] Hanna S R, Chang J C, Strimaitis D G. Hazardous gas model evaluation with field observation [J]. Atmospheric Environment, 1993, 27(15): 2265-2285.

[26] Habib A, Schalau B, Schmidt D. Comparing tools of varying complexity for calculating the gas dispersion[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2014, 92(4): 1-6.

[27] 唐建峰, 蔡娜, 郭清, 等. 液化天然氣水平連續(xù)泄漏重氣的擴(kuò)散過(guò)程[J]. 化工進(jìn)展, 2012, 31(9): 1908-1913. [Tang Jian-feng, Cai Na, Guo Qing, et al. Research on the LNG dense gas diffusion: A continuous horizontal jet release [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2012, 31(9): 1908-1913.]

[28] 馮志華, 聶百勝. 危險(xiǎn)氣體泄漏擴(kuò)散的試驗(yàn)方法研究[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 16(7): 18-23. [Feng Zhi-hua, Nie Bai-sheng. Experimental methodology for study diffusion of leaked hazardous gas [J]. China Safety Science Journal, 2006, 16(7): 18-23.]

[29] 張?jiān)d. 重氣云團(tuán)泄漏擴(kuò)散模擬方法的應(yīng)用實(shí)例[J].科技傳播, 2003, 13(1): 118,114. [Zhang Yuan-xing. Application of numerical simulation methods of heavy gas [J]. Public Communication of Science & Technology, 2003, 13(1): 118,114.]

[30] 張朝能. 高原山區(qū)地形條件下城市重氣泄漏風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬[D]. 昆明：昆明理工大學(xué), 2008. [Zhang Chao-neng. Wind tunnel experiment and numerical simulation of dense gas leakage in plateau mountainous city at complex terrain [D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2008.]

[31] Britter R E, MeQuaid J. Workbook on the dispersion of dense Gas[R]. Sheffield:Journal of Occupational Accidents, February 1988.

[32] UIden A V. On the spreading of a heavy gas released near the ground[C]. Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries, Proceedings of the 1st International Symposium, Delft, Holland, May 28-30,1974.

[33] Pereira J C, Chen X Q. Numerical calculations of unsteady heavy gas dispersion [J]. Journal of Hazardous Materials, 1996, 46(2-3): 253-272.

[34] 朱伯齡, 於孝春. PHAST軟件對(duì)液化天然氣泄漏擴(kuò)散的研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2009, 26(11): 1418-1422. [Zhu Bo-ling, Yu Xiao-chun. Research for PHAST in the process of liquefied natural gas discharge and dispersion [J]. Computers and Applied Chemistry, 2009, 26(11): 1418-1422.]

[35] 王亞芝. 三維多箱模型預(yù)測(cè)大氣環(huán)境質(zhì)量的研究[D].南京：南京理工大學(xué), 2002. [Wang Ya-zhi. Research on predicting atmospheric environmental concentration by three dimension multi-box models [D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2002.]

[36] Ermak D L. User’s manual for SLAB: an atmospheric dispersion model for denser-than-air releases[M]. Berkeley: University of California, 1990.

[37] England W G, Teuscher L H, Hauser L E. Atmospheric dispersion of liquefied natural gas vapor clouds using SIGMET, a three-dimensional time dependent hydrodynamic computer model [C]. Heat Transfer and Fluid Mechanics Institute, Stanford University, USA, 1978.

[38] Giannissi S G, Venetsanos A G, Markatos N, et al. Numerical simulation of LNG dispersion under two-phase release conditions [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2013, 26(1): 245-254.

[39] Olewski T, Nayak S, Basha O, et al. Medium scale LNG-related experiments and CFD simulation of water curtain [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011, 24(6): 798-804.

[40] Gavelli F, Bullister E, Kytomaa H. Application of CFD (fluent) to LNG spills into geometrically complex environments [J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 159(1): 158-168.

[41] Gavelli F, Chernovsky M K, Bullister E, et al. Quantification of source-level turbulence during LNG spills onto a water pond [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2009, 22(6): 809-819.

[42] Gavelli F, Chernovsky M K, Bullister E, et al. Modeling of LNG spills into trenches [J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 180(1): 332-339.

[43] Ikealumba W C, Wu H. Modeling of liquefied natural gas release and dispersion: incorporating a direct computational fluid dynamics simulation method for LNG spill and pool formation [J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55(6): 1778-1787.

[44] Lee H B, Park B J, Rhee S H, et al. Liquefied natural gas flow in the insulation wall of a cargo containment system and its evaporation [J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(14-15): 2605-2615.

[45] Liu Y, Olewski T, Vechot L N. Modeling of a cryogenic liquid pool boiling by CFD simulation [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 35(1): 125-134.

[46] Sklavounos S, Rigas F. Validation of turbulence models in heavy gas dispersion over obstacles [J]. Journal of Hazardous Materials, 2004, 108(1): 9-20.

[47] Tauseef S M, Rashtchian D, Abbasi S A. CFD-based simulation of dense gas dispersion in presence of obstacles [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011, 24(4): 371-376.

[48] Qi R, Ng D, Cormier B R, et al. Numerical simulations of LNG vapor dispersion in Brayton Fire Training Field tests with ANSYS CFX [J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(1): 51-61.

[49] Qi R, Raj P K, Mannan M S. Underwater LNG release test findings：experimental data and model results [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011, 24(4): 440-448.

[50] Suardin JA, Qi R, Cormier BR, et al. Application of fire suppression materials on suppression of LNG pool fires [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011, 24(1): 63-75.

[51] Fiates F, Santos R R C, Neto F F, et al. An alternative CFD tool for gas dispersion modeling of heavy gas [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 44(1): 583-593.

[52] Cormier B R, Qi R, Yun G W, et al. Application of computational fluid dynamics for LNG vapor dispersion modeling: A study of key parameters [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2009, 22(3): 332-352.

[53] 吳光中, 李久龍, 高婉麗, 等. 大流量氫氣的排放與擴(kuò)散研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2010, 5(5): 51-55. [Wu Guang-zhong, Li Jiu-long, Gao Wan-li, et al. Research on venting and diffusion of large flow hydrogen [J]. Missiles and Space Vehicles, 2010, 5(5): 51-55.]

ReviewofStudiesonEmissionofCryogenicMethaneatRocketEngineTestBench

YU Chuang-chuang1,2,3, LUO Tian-pei2,3, LIU Rui-min2,3, QU Sheng2,3, ZHANG Jia-xian2,3, ZHAO Yao-zhong1,2,3

(1. State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Beijing 100028, China; 2. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074, China;3. Beijing Engineering Research Center of Aerospace Propulsion Testing Technology and Equipment, Beijing 100074, China)

Firstly, the dangerous characteristics of liquid methane are analyzed. The formation mechanism and the law of motion of heavy gas diffusion are described and analyzed in detail, which is the most harmful process during the ground test. After that, the related studies on the issue are reviewed and summarized. The scenes of the large-scale foreign heavy gas diffusion field tests are briefly described, including the classical Burro, Coyote and Falcon series tests. In the aspects of the theoretical analysis and numerical simulation, the basic principles and features of the classical models are summarized, and the studies on the applications of the CFD model are introduced in detail. Finally, three methods are proposed based on the emission demands of the liquid oxygen/methane engine test. And their basic principles, advantages, scope of their respective applications are also discussed.

Cryogenic methane; Safety disposal; Heavy gas; Diffusion; Emission

F407.5; TM623.8

A

1000-1328(2017)10- 1013- 11

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.10.001

2017- 06- 16;

2017- 08- 11

航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金課題(SKLTSCP1514)

喻闖闖(1993-)，男，碩士生，主要從事低溫液體推進(jìn)劑研究。

通信地址：北京豐臺(tái)區(qū)云崗北山小區(qū)7棟(100074)

電話：13051389216

E-mail:chuangge1596@sina.com