王 丹,趙文武
(1.西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院,陜西 西安 710000)(2.中建三局集團(tuán)有限公司西北分公司,陜西 西安 710075)
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,危險化學(xué)品的需求量也日趨增大,但一旦發(fā)生有毒物質(zhì)泄漏事故,后果將極其嚴(yán)重[1]。在此,本文以液氯儲罐為對象,研究其泄漏之后的擴(kuò)散范圍及影響因素[2]。
以陜西咸陽某化工公司的氯罐泄漏情況為對象進(jìn)行模擬。對該氯罐泄漏情況進(jìn)行擴(kuò)散中毒危害模擬。
根據(jù)陜西氣象部門統(tǒng)計,陜西省咸陽市年平均風(fēng)速為1.3m/s,最大風(fēng)速為21m/s,。該液氯儲罐為100m3,內(nèi)部壓力為0.8MPa,內(nèi)部溫度為25℃,其泄露速率可按均勻兩相流動的泄漏速度計算,計算公式如下[3]:
式中:Q0為兩相流動混合物泄漏速度,kg/s;Cd為兩相流動混合物泄漏系數(shù);A 為裂口面積,m;p 為兩相混合物的壓力,Pa;pc為臨界壓力,Pa;ρ 為兩相混合物的平均密度,kg/m3。
其中ρ 由下式計算:
式中:ρ1為液氯蒸發(fā)的蒸汽密度,kg/m3;ρ2為液氯密度,kg/m3;Fv為蒸發(fā)的液體占液體總量的比例。
其中Fv由下式計算:
式中:Cp為液氯的定壓比熱,J/(kg·K);T 為泄漏前液體的溫度,K;T0為液體在常壓下的沸點(diǎn),K;H 為液體的氣化熱,kJ/kg。
在此假設(shè)裂口面積為圓形,直徑為10cm,相關(guān)參數(shù)取值見表1。
Q0=26.6kg/s。
本研究選用MATLAB 作為工具[3],依據(jù)液氯儲罐周圍的環(huán)境以及人口分布情況,建立液氯儲罐兩相流泄漏計算區(qū)域?yàn)镚x×Gy×Gz(400×2000×20)。泄漏口為內(nèi)徑100mm 的圓孔,其位置坐標(biāo)為(0,0,0.2)。
表1 相關(guān)參數(shù)取值表
對該公司液氯儲罐,選用泄漏擴(kuò)散模型(高斯氣羽流模型)見公式[1](4):
式中:C 為氯氣物質(zhì)濃度,mg/m3;Q 為泄漏速率,mg/s;μ 為風(fēng)速,m/s;σx、σy為x、y 方向的擴(kuò)散系數(shù),m;z 為普通人均高度,m;x、y 為液氯儲罐距離關(guān)注對象的x 方向和y 方向的距離,m;H 為泄漏點(diǎn)高度,m。
現(xiàn)階段如何提升學(xué)生核心素養(yǎng)已成為教育從業(yè)人員、教育相關(guān)愛好者的教育關(guān)注重點(diǎn),基于核心素養(yǎng)基礎(chǔ)上所進(jìn)行的教學(xué)內(nèi)容,除可激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣外,也可提升高中學(xué)生整體物理學(xué)習(xí)素養(yǎng).下文以高一人教版《物理》中《自由落體運(yùn)動》及高一人教版《物理》中《牛頓第一定律》兩課為例,對如何于核心素養(yǎng)指導(dǎo)下開展高中物理教學(xué)活動提出建議.
是本文采用的擴(kuò)散系數(shù)見表2 和大氣穩(wěn)定度見表3[2]。
表2 城市不同大氣穩(wěn)定度下的擴(kuò)散系數(shù) [2]
表3 大氣穩(wěn)定度的確定 [2]
依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),按照濃度將氯氣泄漏的危險區(qū)域劃分為[1]:輕死區(qū)、重傷區(qū)和死亡區(qū)。輕傷區(qū)濃度:120mg/m3;重傷區(qū)濃度:300mg/m3時;死亡區(qū)濃度3000mg/m。
根據(jù)陜西咸陽某化工公司實(shí)地氣象條件,設(shè)置模擬條件如下:泄漏速率:Q0=26.6kg/s;風(fēng)速:年平均風(fēng)速(1.3m/s)、年最大風(fēng)速(21m/s);大氣穩(wěn)定度:A 和D;觀察對象平面高度Z:Z=1.5m。在設(shè)定以上條件的基礎(chǔ)上對液氨泄漏結(jié)果進(jìn)行觀測。
1)采用MATLAB 進(jìn)行編程并計算,代入儲罐泄漏的參數(shù),得到100m3液氯儲罐年平均風(fēng)速白天擴(kuò)散濃度分布圖(見圖1)。具體步驟如下:
請輸入所求等位線的濃度值: [120 300 3000];請輸入泄漏源強(qiáng)(mg/s):Q=2.66×107;請輸入擴(kuò)散時的風(fēng)速(m/s):u=1.3;請輸入計算的步長:d=5;請輸入觀察對象平均高度平面(m):Z=1.5;請輸入泄漏源強(qiáng)高度(m):H=0.2;請輸入大氣穩(wěn)定度:1(AS 大氣穩(wěn)定度A—D:A=1;B=2;C=3;D=4)。
圖1 100m3 液氯儲罐年平均風(fēng)速白天擴(kuò)散濃度分布
2)采用MATLAB 進(jìn)行編程并計算,代入儲罐泄漏的參數(shù),得到100m3液氯儲罐年平均風(fēng)速夜間擴(kuò)散濃度分布圖(見圖2)。具體步驟如下:
請輸入所求等位線的濃度值: [120 300 3000];請輸入泄漏源強(qiáng)(mg/s):Q=2.66×107;請輸入擴(kuò)散時的風(fēng)速(m/s):u=1.3;請輸入計算的步長:d=5;請輸入觀察對象平均高度平面(m):Z=1.5;請輸入泄漏源強(qiáng)高度(m):H=0.2;請輸入大氣穩(wěn)定度:4。
圖2 100m3 液氯儲罐微風(fēng)年平均風(fēng)速夜間擴(kuò)散濃度分布
進(jìn)一步對比圖1 和圖2 看出,同一泄漏源強(qiáng)在1.3m/s 風(fēng)速情況下泄漏,在大氣穩(wěn)定度為D(即夜間)的情況下,下風(fēng)向影響區(qū)域最遠(yuǎn)可達(dá)2050m,即離源強(qiáng)2050 以外才是安全區(qū);而在大氣穩(wěn)定度為A(即白天)的情況下,下風(fēng)向影響區(qū)域最遠(yuǎn)可達(dá)1100m,即離源強(qiáng)1100 以外才是安全區(qū)。這主要是因?yàn)樵谀昶骄L(fēng)速情況下由于白天和夜間的日照強(qiáng)弱差異,導(dǎo)致的大氣垂直溫度分布的不同,進(jìn)而造成大氣穩(wěn)定度不同,即當(dāng)液氯儲罐泄漏達(dá)到穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)時,在年平均風(fēng)速情況下大氣穩(wěn)定度越差時,所造成的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷面積更大一些。
1)采用MATLAB 進(jìn)行編程并計算,代入儲罐泄漏的參數(shù),得到100m3液氯儲罐年最大風(fēng)速白天擴(kuò)散濃度分布圖(見圖3)。具體步驟如下:
請輸入所求等位線的濃度值: [120 300 3000];請輸入泄漏源強(qiáng)(mg/s):Q=2.66×107;請輸入擴(kuò)散時的風(fēng)速(m/s):u=21;請輸入計算的步長:d=5;請輸入觀察對象平均高度平面(m):Z=1.5;請輸入泄漏源強(qiáng)高度(m):H=0.2;請輸入大氣穩(wěn)定度:1。
2)采用MATLAB 進(jìn)行編程并計算,代入儲罐泄漏的參數(shù),得到100m3液氯儲罐年最大風(fēng)速夜間擴(kuò)散濃度分布圖(見圖4)。具體步驟如下:
請輸入所求等位線的濃度值: [120 300 3000];請輸入泄漏源強(qiáng)(mg/s):Q=2.66×107;請輸入擴(kuò)散時的風(fēng)速(m/s):u=21;請輸入計算的步長:d=5;請輸入觀察對象平均高度平面(m):Z=1.5;請輸入泄漏源強(qiáng)高度(m):H=0.2;請輸入大氣穩(wěn)定度:4。
在圖3 和圖4 中,三條曲線表示的意義與圖1、圖2 相同。
圖3 100m3 液氯儲罐年最大風(fēng)速白天擴(kuò)散濃度分布
圖4 100m3 液氯儲罐年最大風(fēng)速夜間擴(kuò)散濃度分布
進(jìn)一步對比圖3 和圖4 看出,同一泄漏源強(qiáng)在21m/s 風(fēng)速情況下泄漏,在大氣穩(wěn)定度為D(即夜間)的情況下,下風(fēng)向影響區(qū)域最遠(yuǎn)可達(dá)415m,即離源強(qiáng)415 以外才是安全區(qū);而在大氣穩(wěn)定度為A(即白天)的情況下,下風(fēng)向影響區(qū)域最遠(yuǎn)可達(dá)225m,即離源強(qiáng)225 以外才是安全區(qū)。這主要是因?yàn)樵谀昶骄L(fēng)速情況下由于白天和夜間的日照強(qiáng)弱差異,導(dǎo)致的大氣垂直溫度分布的不同,進(jìn)而造成大氣穩(wěn)定度不同,即當(dāng)液氯儲罐泄漏達(dá)到穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)時,在年平均風(fēng)速情況下大氣穩(wěn)定度越差時,所造成的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷面積更大一些。
綜合分析圖1、圖2、圖3 和圖4 看出,擴(kuò)散受風(fēng)速的影響,風(fēng)速越大,擴(kuò)散造成的危險區(qū)域面積越小。這是由于大氣穩(wěn)定性受風(fēng)速影響,風(fēng)速越大越大大氣穩(wěn)定性越好,擴(kuò)散面積越小。
本研究以咸陽某化工公司的液氯儲罐泄漏為模擬對象,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:
1)當(dāng)液氯儲罐泄漏達(dá)到連續(xù)泄漏狀態(tài)時,大氣穩(wěn)定度越差時,所造成的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)面積更大一些。
2)擴(kuò)散受風(fēng)速的影響,風(fēng)速越大,擴(kuò)散造成的危險區(qū)域面積越小,這是由于大氣穩(wěn)定性受風(fēng)速影響,風(fēng)速越大越大大氣穩(wěn)定性越好,擴(kuò)散面積越小。