王文芳

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001）

1 概述

CO2是一種無色無味的氣體，密度大于空氣，按照氣體密度劃分原則屬于重氣類氣體，當CO2泄漏后，會與空氣混合形成重氣云，由于重力沉降作用會在地面大量積聚，隨后會因濃度差向周圍空氣中擴散，產(chǎn)生濃度梯度現(xiàn)象。高濃度的CO2氣體對人的生命安全會產(chǎn)生十分隱蔽的危害，雖然這種氣體本身無毒性，但吸入過量會造成人體CO2中毒，原因是高濃度的CO2氣體環(huán)境常伴隨O2含量的降低，形成缺氧環(huán)境。當人突然進入高濃度CO2氣體環(huán)境中，會出現(xiàn)頭暈、心悸、呼吸困難的癥狀，還有可能直接導(dǎo)致人暈厥甚至死亡。因此研究CO2泄漏擴散規(guī)律意義重大，不僅可以為CCUS（碳捕捉、利用與封存）技術(shù)中提供數(shù)據(jù)分析與理論支持，保證CO2的管道輸運安全，更重要的是能夠保障輸運人員的生命安全。

在CO2泄漏擴散的規(guī)律研究過程中，主要有兩種方法；

1）通過搭建實驗平臺進行泄漏實驗；

2）通過仿真軟件進行泄漏實驗。

相對于搭建實驗平臺的研究方法而言，通過仿真軟件進行模擬實驗的方法成本低，可重復(fù)性高，但對于物理模型與計算方法的選擇需要十分準確，一旦出現(xiàn)錯誤，預(yù)測的結(jié)果就會與實際相差巨大。目前FLUENT 軟件在氣體泄漏擴散模型中應(yīng)用已十分廣泛，F(xiàn)LUENT 軟件涵蓋各種物理建模功能，可對工業(yè)應(yīng)用中的流動、湍流、熱交換和各類反應(yīng)進行建模，可模擬從可壓縮流動到不可壓縮流動等許多流體，很多學(xué)者采用FLUENT 軟件進行氣體擴散實驗，預(yù)測結(jié)果與真實數(shù)據(jù)十分吻合，因此本文采用FLUENT 軟件來對不同通風(fēng)形式下的CO2擴散規(guī)律進行研究，再結(jié)合實驗進行物理模型的有效性驗證。

2 ICEM前處理

ICEM 是FLUENT 的網(wǎng)格劃分軟件，作為一款專業(yè)的CFD 前處理軟件，主要用于創(chuàng)建幾何模型和進行網(wǎng)格劃分。ICEM 軟件包括兩大類網(wǎng)格劃分方法，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量高，但需要手動分塊劃分，需大量人工操作，不適用于復(fù)雜模型。

1）非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以自動生成，操作簡單。在網(wǎng)格質(zhì)量要求不高的模型中可以使用。幾何建模的第一步是通過創(chuàng)建點、線、面，在ICEM 中建立一個大小為3m（x）*1.8m（y）*2.5m（z）的三維長方體幾何模型，在x=0m 平面上分割出一個泄漏孔，泄漏孔為一圓形孔，選?。?，0.88，0.865）為圓心，直徑大小為1mm。然后再在y=2.5m 平面上分割出一個自然通風(fēng)口，自然通風(fēng)口為一矩形口，大小為0.7m*1.0m，泄漏口命名為inlet，自然通風(fēng)口命名為outlet。

2）進行網(wǎng)格劃分，首先將總體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1m，并在氣體流動速度大的區(qū)域進行網(wǎng)格加密，局部加密網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置為0.001m，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自動生成方法，網(wǎng)格生成方式為四面體為主的混合網(wǎng)格。然后進行網(wǎng)格光順處理，確保網(wǎng)格精度達到要求。

3）選擇FLUENT 求解器輸出網(wǎng)格即可。CO2幾何模型如下圖1所示，氣源從左側(cè)泄漏孔（inlet）進入，從右側(cè)通風(fēng)口（outlet）流出。

圖1 幾何模型

3 FLUENT建模

3.1 材料參數(shù)設(shè)置及邊界條件

在ICEM 中生成的mesh 文件可直接在FLUENT 中打開，通常第一步是要進行網(wǎng)格導(dǎo)入與質(zhì)量檢查，檢查導(dǎo)入模型的單位是否有誤，塊是否丟失等，然后將求解器設(shè)置為壓力基求解器，再設(shè)置瞬態(tài)模型，由于CO2為重氣，因此需要在z軸方向設(shè)置重力加速度。幾何模型內(nèi)部氣體設(shè)置為空氣與CO2的混合氣體，混合氣體密度類型為不可壓縮理想氣體，由于該擴散過程本身不存在化學(xué)變化，因此只需要打開組分輸運方程即可。將inlet 類型設(shè)置為Mass Flow Rate，初始流量為0.000 5kg/s，inlet 處CO2所占質(zhì)量分數(shù)設(shè)置為1。ouelet 類型設(shè)置為pressure outlet，初始表壓設(shè)置為0，在outlet 處CO2所占質(zhì)量分數(shù)設(shè)置為0.000 5，壁面類型設(shè)置為標準壁面，近壁面無滑移，操作環(huán)境設(shè)置為標準大氣壓環(huán)境。湍流模型采用雙方程k-ε模型中的標準k-ε方程，打開全浮力效果選項。

3.2 計算求解及初始化設(shè)置

采用SIMPLE 算法進行求解計算，其余選項設(shè)置為默認，初始化位置從全局開始，在模型內(nèi)部進行局部初始化，設(shè)置CO2質(zhì)量分數(shù)為0.000 5，步長設(shè)置為1s，每一步迭代10 次，時間步數(shù)設(shè)置為70，點擊caculate 便可進行計算。通過改變outlet 類型，即可得到兩種不同通風(fēng)形式的幾何模型，通過設(shè)置四個濃度監(jiān)測點可觀察CO2氣體在兩種不同通風(fēng)狀態(tài)下的空間濃度變化情況，四個監(jiān)測點位置及個數(shù)如表1所示。

表1 四個監(jiān)測點坐標

4 實驗與仿真

4.1 不同通風(fēng)形式下的監(jiān)測點濃度對比

為簡化模擬過程，作出如下幾點假設(shè)：

（1）泄漏氣體不發(fā)生相變；

（2）泄漏氣體與環(huán)境無能量交換，無溫度變化；

（3）泄漏氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

如圖2，為存在自然通風(fēng)窗口的空間與封閉空間同一位置的四個監(jiān)測點濃度變化對比，模擬時長為670s?？梢钥闯?，泄漏時間小于200s 時，四個監(jiān)測點的濃度變化是完全一致的，200s 之后，自然通風(fēng)口開始發(fā)揮作用，大量的氣體開始從自然通風(fēng)口向外擴散，空間內(nèi)部的濃度場分布開始發(fā)生變化，相比較封閉空間，帶有自然通風(fēng)窗口的空間內(nèi)部濃度全部明顯下降，上方兩監(jiān)測點（圖2b 和圖2d）比下方兩監(jiān)測點（圖2a 和圖2c）出現(xiàn)虛實線濃度差的時間更早，這是因為自然通風(fēng)口的位置設(shè)置較高所導(dǎo)致，由此可見重氣的典型重力沉降作用比浮力擴散作用在擴散前期更加明顯，當無外界風(fēng)干擾，在泄漏前期的濃度場分布是以重力為主要支配動力。

圖2 四個監(jiān)測點濃度對比

4.2 仿真可行性驗證

由于仿真所得預(yù)測數(shù)據(jù)的真實性最終要靠實驗來驗證，因此，參考仿真模型參數(shù)進行了CO2氣體泄漏實驗，泄漏實驗系統(tǒng)由與幾何模型同尺寸的實驗艙、CO2氣源及管線、數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)等設(shè)備組成。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示；實驗通過鋼氣瓶釋放氣源，緩沖罐進行穩(wěn)壓，流量計進行流量設(shè)置，再經(jīng)泄漏管道，從泄放口泄漏至實驗艙。實驗艙中布置有四個型號為COZIR-WX-20%的CO2濃度傳感器，幾何位置與仿真監(jiān)測點位置保持一致。利用組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控平臺，通過連接數(shù)據(jù)庫即可實現(xiàn)CO2濃度實時監(jiān)控。

圖3 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4為帶有自然通風(fēng)口的實驗與仿真的四個監(jiān)測點濃度曲線圖，由仿真與實驗結(jié)果對比可知，四個監(jiān)測點仿真數(shù)據(jù)與傳感器所測濃度走向大致吻合，因此，在數(shù)值模擬中所采用的物理模型符合要求，可以充分驗證該物理模型的正確性。

圖4 四個監(jiān)測點濃度對比

4.3 泄漏擴散云圖分析

圖5a 和圖5c 為帶有自然通風(fēng)窗口的不同時刻y=0.88m 平面濃度云圖；圖5b 和圖5d 為封閉空間的不同時刻y=0.88m 平面濃度云圖。由圖5a 和圖5c 可以看出，CO2氣體泄漏后首先向平面下方積聚，隨著艙內(nèi)濃度的升高，CO2氣體向平面上方不斷擴散。整個泄漏過程中濃度在該平面上的分布是不均勻的。在180s時，圖5a和圖5b中均可觀察到泄漏口上方氣體已產(chǎn)生明顯的濃度梯度，但由于泄漏速度較大，泄漏出來的氣體射程較遠，導(dǎo)致大量氣體積聚在實驗艙右側(cè)，平面內(nèi)右側(cè)濃度明顯高于左側(cè)。在第360s時，由圖5d可以看出封閉空間仍是右側(cè)濃度高于左側(cè)濃度，而由圖5c可見360s時自然通風(fēng)口處濃度較平面其他位置明顯更低，此時空間內(nèi)右側(cè)濃度已明顯低于左側(cè)濃度，說明該位置附近氣體已從通風(fēng)口大量逸出，在整個擴散過程中，平面上的濃度最高點始終集中在泄漏口附近。

圖5 不同時刻y=0.88m平面上的濃度分布云圖對比

5 結(jié)論

1）經(jīng)實驗證明，本文所建立的仿真模型是有效的。

2）當氣體發(fā)生泄漏時，泄漏初始時帶有通風(fēng)窗口的空間與封閉空間監(jiān)測點濃度變化十分接近，超過200s 后監(jiān)測點濃度開始出現(xiàn)差別，帶有自然通風(fēng)口的空間在實驗后期整體濃度更低，但總體濃度仍然保持上升趨勢。

3）當氣體泄漏速度較大時，受限空間內(nèi)的濃度分布是不均勻的，濃度分層現(xiàn)象只出現(xiàn)在局部位置，不同通風(fēng)形式左右兩側(cè)濃度分布隨時間變化規(guī)律也是不同的。