李 席 郭 勇 金效齊 朱林林 楊貴麗 李宗群

（1.蚌埠學(xué)院硅基新材料安徽省工程技術(shù)研究中心 安徽蚌埠 233030；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院 江蘇南京 210094；3.蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 安徽蚌埠 233030）

氬氣作為一種惰性稀有氣體，在工業(yè)上應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在航空航天制造、節(jié)能玻璃、醫(yī)學(xué)、化工行業(yè)、金屬冶煉和熱處理工業(yè)中常作為保護(hù)氣，防止金屬被空氣氧化或氮化[1-2]。氬氣不會對人體有直接危害，但其濃度過高時(shí)可造成人死亡。近年來，受限空間氬氣泄漏造成事故較多。比如2001年合肥某企業(yè)車間發(fā)生氬氣泄漏事故，造成4人死亡；南京一鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐車間2014年發(fā)生氬氣泄漏，造成3人死亡；2019年揚(yáng)州市某個(gè)工廠突然發(fā)生氬氣泄漏事故，緊急疏散一百多名員工[3-5]。因此，研究氬氣泄露擴(kuò)散以可靠地監(jiān)測空間內(nèi)氬氣的分布濃度和擴(kuò)散范圍，對于妥善的應(yīng)急處置十分必要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對易燃、易爆、有毒有害氣體等泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了廣泛研究[6-8]，而關(guān)于氬氣空間的研究較少，高江濤等應(yīng)用離散相模型對某鋼廠200t鋼包底吹氬進(jìn)行數(shù)值模擬研究[9]；吳強(qiáng)等結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)研究探討了氬氣有限空間內(nèi)傳熱過程[10]；現(xiàn)有研究較少針對受限空間泄露擴(kuò)散，為此，本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬企業(yè)車間氬氣的泄漏過程，探討環(huán)境風(fēng)速和氬氣泄露速度對氬氣泄漏擴(kuò)散后的濃度空間分布影響，所得結(jié)果可為氬氣泄漏預(yù)防及事故處理提供參考。

一、氬氣泄露擴(kuò)散的計(jì)算模型

（一）物理模型。氬氣泄漏擴(kuò)散的基本方程有質(zhì)量守恒方程、連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、組分傳輸方程等[11]。選擇普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，該模型計(jì)算收斂性和精確性都能達(dá)到一般工程計(jì)算要求[12]。

以某加工車間建立2D物理模型（圖1），研究氬氣泄漏，計(jì)算域長6m、高3m[13]，水平方向距離地面1m處有直徑0.1m的泄漏孔，工作時(shí)門為關(guān)閉狀態(tài)，空間內(nèi)窗戶高為0.8m，位于泄露口對側(cè)高度1.2m處和計(jì)算域正上方。

為了更加準(zhǔn)確反映氬氣泄漏擴(kuò)散的影響，在計(jì)算域內(nèi)設(shè)定測點(diǎn)，通過測點(diǎn)處氬氣的濃度，可為制定氬氣泄漏時(shí)應(yīng)急處理措施提供依據(jù)。測點(diǎn)的高度依據(jù)正常人的呼吸器官高度1.5m[14]，測點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

圖1 窗在泄漏口對側(cè)時(shí)氬氣泄漏的物理模型

表1 各個(gè)測點(diǎn)的坐標(biāo)

（二）初始條件。計(jì)算過程涉及速度入口、壓力出口、壁面三種邊界條件。泄漏口設(shè)置為速度入口、窗戶設(shè)置為壓力出口，其余邊設(shè)定為壁面（WALL）邊界條件。物理模型的網(wǎng)格采用全四邊形網(wǎng)格，泄露口和窗戶口附近加密的網(wǎng)格最大尺寸為0.001m，其他網(wǎng)格的最大尺寸為0.02m。影響氬氣泄露擴(kuò)散的因素較多，本文主要研究窗戶位置、環(huán)境風(fēng)速和、氬氣泄露速度對氬氣擴(kuò)散的影響。

二、結(jié)果與討論

（一）氬氣泄露擴(kuò)散基本過程。以氬氣泄漏速度5m/s，無環(huán)境風(fēng)條件的模擬結(jié)果為例，圖2為氬氣管道擴(kuò)散的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)（T=1s,10s和30s)氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖。

以氬氣泄漏速度5m/s，無環(huán)境風(fēng)條件的模擬結(jié)果為例，圖2為氬氣管道擴(kuò)散的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)（T=1s,10s和30s)氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖。

圖2 不同時(shí)刻氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

氬氣剛發(fā)生泄漏時(shí)，以射流進(jìn)入大氣環(huán)境中[15]，由于浮力作用、空氣阻力及重力等作用，一部分氬氣向上擴(kuò)散，另一部分向下擴(kuò)散。隨著氬氣不斷地?cái)U(kuò)散，泄漏氬氣所受的慣性力作用逐漸減小，氬氣是比大氣密度更大的重氣[16]，故氬氣主要向下擴(kuò)散趨勢明顯，導(dǎo)致地面附近氬氣濃度增加，氬氣碰撞地面后向四周散開，一部分氬氣在壓力出口被稀釋。經(jīng)過一段時(shí)間，下降趨勢會隨著大氣的稀釋而減弱，整個(gè)空間形成明顯濃度分層，下層濃度明顯高于上層濃度。

（二）影響因素。

1.環(huán)境風(fēng)速。圖3為氬氣泄漏速度5m/s，環(huán)境風(fēng)速分別是1m/s、3m/s和5m/s情況下氬氣泄漏擴(kuò)散30s的質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖。圖4為三種風(fēng)速下測點(diǎn)氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化圖。

圖3 不同環(huán)境風(fēng)速車間氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

圖4 三種風(fēng)速下不同測點(diǎn)氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

結(jié)合圖3～4可知，測點(diǎn)處氬氣濃度的變化趨勢基本相同，都有上升和下降變化過程，且各點(diǎn)的濃度值區(qū)分明顯。環(huán)境風(fēng)對泄漏擴(kuò)散有明顯的稀釋作用，氬氣迎風(fēng)風(fēng)速的作用下向上方運(yùn)動趨勢明顯，風(fēng)速越大，氬氣擴(kuò)散射流的水平距離越短，氬氣越往泄露源上方附近區(qū)域靠攏，氬氣泄漏擴(kuò)散的范圍越小。氬氣的濃度達(dá)到33%時(shí)可使人窒息[17]，風(fēng)速達(dá)到5m/s時(shí)，安全區(qū)域大幅度增加。

2.氬氣泄漏速度。圖5為窗戶設(shè)置在泄露口對面，泄露速度分別為2m/s、7m/s氬氣泄露擴(kuò)散30s的氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布。

圖5 不同泄露速度時(shí)氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布

圖6 三種泄漏速度下不同測點(diǎn)的氬氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

結(jié)合圖2、圖5和圖6分析可得：1）氬氣泄漏速度越大，單位時(shí)間內(nèi)泄漏出的氬氣越多，射流受重力的影響越大，向地面沉積擴(kuò)散越顯著，射流的水平距離越遠(yuǎn)，擴(kuò)散過程中出現(xiàn)的回流現(xiàn)象越明顯，擴(kuò)散范圍越廣，空間內(nèi)濃度越高。2）泄漏速度越大，氬氣濃度的上升速度越快。窗戶附近區(qū)域泄漏速度為2m/s時(shí)，要接近20s氬氣濃度才達(dá)到33%；泄漏速度為7m/s時(shí)，僅經(jīng)過5s左右氬氣濃度即到達(dá)使人窒息的濃度，給人逃生帶來較大困難。3）泄漏速度為5m/s和7m/s，泄露源附近區(qū)域在計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)氬氣濃度上升速率幾乎重合，15s氬氣濃度即可讓人窒息。

三、結(jié)論

用計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件對企業(yè)車間氬氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了模擬研究，分析了環(huán)境風(fēng)速和泄漏速度對氬氣泄露擴(kuò)散的影響。主要結(jié)論有：

（1）氬氣泄露以射流進(jìn)入受限空間，受浮力作用、空氣阻力及重力等作用，氬氣向下方擴(kuò)散趨勢明顯。

（2）環(huán)境風(fēng)對氬氣泄漏擴(kuò)散稀釋作用明顯，環(huán)境風(fēng)速越大，氬氣泄露射流的水平距離越短，氬氣向泄露源上方附近區(qū)域聚集越顯著，氬氣泄漏擴(kuò)散的范圍越小，人安全區(qū)域越大。

（3）氬氣泄漏速度越大，向地面擴(kuò)散沉積的趨勢越顯著，氬氣濃度的上升速度越快，空間內(nèi)濃度越高，人逃生越困難。