李 席， 史正波， 程醒龍， 朱林林， 李宗群， 王傳虎,*>

(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.蚌埠市神舟機(jī)械有限公司，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

船舶工業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)的命脈之一，二氧化碳滅火系統(tǒng)在船艙中廣泛應(yīng)用[1]。近年，因二氧化碳的儲(chǔ)存、使用不當(dāng)可能導(dǎo)致二氧化碳泄漏事故較多，造成人員傷亡及嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2-4]。因此，對(duì)船艙二氧化碳泄漏擴(kuò)散研究分析有重要意義。

顧帥威[5]、劉恩斌[6]、Kang Li[7]等研究了超臨界CO2管道泄漏特性。錢新明[8]等闡述管道輸送二氧化碳泄漏模型研究進(jìn)展，提出了CO2管道泄漏的計(jì)算模型。陳兵等[9]利用軟件模擬研究了含雜質(zhì)CO2管道輸送泄漏擴(kuò)散規(guī)律。

以上研究側(cè)重于CO2在管道內(nèi)及向開(kāi)放空間泄漏擴(kuò)散的研究，對(duì)于相對(duì)封閉空間的船艙CO2泄漏擴(kuò)散研究涉及較少，因此，本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件探究船艙二氧化碳泄漏影響因素(泄漏速度、阻礙物高度和傾斜角)，為船艙CO2泄漏事故產(chǎn)生、預(yù)防及處置提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 基本假設(shè)和控制方程

為簡(jiǎn)化分析，做出如下基本假設(shè)：

(1)整個(gè)過(guò)程沒(méi)有熱量傳遞；

(2)在泄漏過(guò)程中，不發(fā)生相態(tài)變化和化學(xué)反應(yīng)；

(3)二氧化碳泄漏速度不隨著時(shí)間變化而變化。

船艙CO2泄露擴(kuò)散遵循的基本方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分輸運(yùn)方程，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε控制方程[9-10]。

1.2 初始條件

建立2D船艙物理模型，如圖1所示。計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)5m×高2.4m[11]，距離船艙底部0.9m有直徑11mm[12]泄漏孔，泄漏孔對(duì)側(cè)靠近船艙頂部有高度400mm通風(fēng)口。為了更加二氧化碳泄漏擴(kuò)散的影響，在計(jì)算區(qū)域設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的高度設(shè)置為人的呼吸器官所在高度1.5m[13]，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)列于表1中。

圖1 船艙二氧化碳泄漏物理模型

表1 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

模型網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格，在泄漏孔附近網(wǎng)格的最大尺寸為0.0005m，其它部分的最大網(wǎng)格尺寸為0.02m。通風(fēng)口設(shè)置為壓力出口，泄漏孔設(shè)置為速度進(jìn)口，其余邊設(shè)定為墻(WALL)。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 船艙CO2泄漏過(guò)程

圖2是泄漏速度為3m/s時(shí)，豎直阻礙物高為1m，60s內(nèi)的氣體擴(kuò)散過(guò)程中不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖。

圖2 不同時(shí)刻船艙CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布

圖3 泄漏速度為5m/s不同時(shí)刻船艙CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布

由圖2可知，船艙二氧化碳泄漏時(shí)，初始階段形成射流，由于空氣阻力和稀釋，逐漸發(fā)展成球形氣云，因二氧化碳是重氣氣體，所以球形氣云下半部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于上半部分。泄漏的二氧化碳?xì)庠朴龅阶璧K物改變運(yùn)動(dòng)方向，一部分氣云沿著阻礙物爬升，氣云回流現(xiàn)象及靠近船艙底部沉積明顯，由于船艙壁面約束、橫向和縱向渦旋等共同作用，阻礙物背面存在空腔區(qū)[10]，該區(qū)域利于人員逃生。

2.2 泄漏速度

圖3是CO2泄漏速度為5m/s，其他條件一致時(shí)的擴(kuò)散過(guò)程云圖，圖 4為泄漏速度5m/s時(shí)不同測(cè)點(diǎn)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。

(a)測(cè)點(diǎn)1 (b) 測(cè)點(diǎn)3

(a) 10s (b) 30s

(a) 10s (b) 30s

分析圖2～圖4可知，CO2泄漏的速度由3m/s增加至5m/s時(shí)，受重力沉降向下堆積越明顯，相同時(shí)間內(nèi)CO2氣體釋放量更大，靠近阻礙物前形成更高濃度區(qū)域，進(jìn)而出現(xiàn)氣云沿船艙底面回流的現(xiàn)象愈明顯，CO2泄漏速度3m/s比5m/s更早達(dá)到測(cè)點(diǎn)1，達(dá)到使人致命的CO2濃度(0.1)[14]時(shí)間更緩慢，隨后形成的高濃度區(qū)域更小。當(dāng)泄露的CO2氣云越過(guò)阻礙物后，CO2泄露速度越大，在阻礙物背面形成空腔區(qū)越靠近船艙頂部，隨后形成的高濃度區(qū)域越大，留給人的逃生時(shí)間越短。

2.3 阻礙物高度

圖5和圖6分別是CO2泄漏速度為3m/s，阻礙物高度分別為0.5m[15]，1.5m二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖，圖 7 為不同阻礙物高度時(shí)測(cè)點(diǎn)二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。

由圖2、圖5～圖7分析可知，隨著阻礙物高度的增加，CO2氣云在水平方向的危險(xiǎn)區(qū)域傳播變緩，阻礙物的左側(cè)會(huì)形成更多區(qū)域高濃度的二氧化碳?xì)怏w，渦流區(qū)更明顯。

CO2氣云越過(guò)阻礙物后，高度1m和高度1.5m的阻礙物在泄漏時(shí)間60s內(nèi)濃度都在0.1以下，而高度0.5m阻礙物在25s左右達(dá)到0.1的濃度，說(shuō)明增加阻礙物高度可顯著降低CO2濃度，增加人逃生時(shí)間。

(a)測(cè)點(diǎn)1 (b) 測(cè)點(diǎn)3

(a) 5s (b)30s

(a) 5s (b)30s

2.4 阻礙物傾斜角度

CO2泄漏速度為3m/s，保持阻礙物高度一致，圖8、圖9分別是阻礙物向左傾斜45°傾斜和向右傾斜45°傾斜質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖。

結(jié)合圖2、圖7和圖8知，向左傾斜45°的阻礙物左側(cè)形成的高濃度二氧化碳區(qū)域最大，阻礙物向右傾斜45°時(shí)二氧化碳擴(kuò)散的區(qū)域最大。從圖10a曲線圖可以看出，阻礙物向左傾斜45°時(shí)，從氣體泄漏開(kāi)始幾乎瞬間就達(dá)到了0.1，阻礙物阻礙作用強(qiáng)弱順序：向左傾斜45°、直角和向右傾斜45°。阻礙物向左傾斜45°時(shí)，CO2氣云越過(guò)阻礙物繼續(xù)擴(kuò)散的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升的最慢，留給人的逃生時(shí)間最多，向右傾斜45°的阻礙物，下風(fēng)向高濃度CO2區(qū)域最大。

(a)測(cè)點(diǎn)1 (b) 測(cè)點(diǎn)3

3 結(jié) 論

本文基于計(jì)算流體力學(xué)分析了泄漏速度、阻礙物高度和阻礙物的傾斜角度對(duì)船艙二氧化碳泄露擴(kuò)散的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 泄漏速度越大，向船艙底部沉積愈明顯，氣體擴(kuò)散的范圍越大，回流現(xiàn)象越明顯，危險(xiǎn)區(qū)域越大，留給人的逃生時(shí)間越短。

(2) 增加阻礙物的高度可顯著增加對(duì)二氧化碳泄漏的阻礙作用，顯著降低CO2濃度，增加人逃生時(shí)間。

(3) 向左傾斜45°的阻礙物阻礙效果最佳，回流效果最顯著。向右傾斜45°的阻礙物，下風(fēng)向高濃度CO2區(qū)域最大，人逃生越困難。