余海帥,蒲亮,2,高強(qiáng),孫若凡,代明昊

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 100028,北京;3.西安航天動(dòng)力實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究所,710049,西安)

作為運(yùn)載火箭的動(dòng)力來源,液氫/液氧、液態(tài)甲烷/液氧組合推進(jìn)劑具有效率高、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn),并且可以把更多的有效載荷送入軌道[1],已成為國內(nèi)外新一代主力運(yùn)載火箭的主要推進(jìn)劑[2]。盡管液氫、液態(tài)甲烷與液氧組成的推進(jìn)劑組合與傳統(tǒng)推進(jìn)劑相比危害較小,但三者都是低溫液體,一旦在環(huán)境中泄漏將發(fā)生劇烈蒸發(fā),因此在推進(jìn)劑的運(yùn)輸、存放、加注過程中存在安全隱患。未來,低溫推進(jìn)劑將在航天領(lǐng)域得到大規(guī)模的應(yīng)用,因此對(duì)液氫、液態(tài)甲烷、液氧泄漏后的危害性進(jìn)行研究,具有現(xiàn)實(shí)意義。

液氫和液態(tài)甲烷易燃易爆,危險(xiǎn)性大。1980年美國國家航空航天局開展了系列液氫泄漏實(shí)驗(yàn),研究了液氫儲(chǔ)罐快速爆裂后的危險(xiǎn)性[3]。2010年,英國健康安全實(shí)驗(yàn)室針對(duì)液氫轉(zhuǎn)注時(shí)軟管失效引起的安全問題,在山谷中進(jìn)行了小流量的液氫泄漏實(shí)驗(yàn)[4-5]。之后對(duì)于液氫、液態(tài)甲烷泄漏擴(kuò)散的研究主要以數(shù)值模擬為主,Giannissi等人分析了環(huán)境濕度和相間速度滑移對(duì)氫氣和甲烷蒸汽擴(kuò)散的作用,發(fā)現(xiàn)考慮環(huán)境濕度和相間滑移更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6-7]。Shao等基于構(gòu)建的液氫泄漏擴(kuò)散三維瞬態(tài)數(shù)值模型,同樣考慮速度滑移的作用,研究了可燃云團(tuán)在大氣中的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過程和季節(jié)、風(fēng)速、大氣壓力對(duì)液氫泄漏可燃云的影響[8-9]。Jin等分析了液氫泄漏擴(kuò)散過程中風(fēng)溫、風(fēng)速、地面溫度等環(huán)境因素的影響規(guī)律[10]。唐鑫基于英國健康安全實(shí)驗(yàn)室的液氫泄漏實(shí)驗(yàn),建立模型研究了泄漏流量和高度對(duì)氫氣濃度場和溫度場分布的影響[11]。Wu從單個(gè)粒子和粒子群的視角研究了液氫初始階段的相變過程[12]。Liu研究了氫源周圍堤壩的存在對(duì)氫氣團(tuán)擴(kuò)散的影響[13]。研究人員在液氫和液態(tài)甲烷泄漏擴(kuò)散研究上已經(jīng)做了大量工作,并且得到了很多具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。Tolias在前人的研究基礎(chǔ)上提出了氫安全應(yīng)用數(shù)值模擬和CFD基準(zhǔn)測(cè)試中的最佳實(shí)踐準(zhǔn)則[14]。

低溫液氧的泄漏會(huì)對(duì)人體和金屬材料造成低溫傷害,引起人的皮膚或其他組織凍傷,降低金屬材料的性能。同時(shí),氧氣具有強(qiáng)烈的助燃作用,與氫氣、甲烷等易燃?xì)怏w混合極易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸,可能造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[15]。但是,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)液氧泄漏擴(kuò)散安全性的關(guān)注很少,相關(guān)研究幾乎為零。前人針對(duì)液氫、液態(tài)甲烷泄漏擴(kuò)散的研究表明,環(huán)境因素對(duì)氣云擴(kuò)散具有重要的影響,因此本文針對(duì)開放空間液氧泄漏問題建立低溫推進(jìn)劑泄漏擴(kuò)散的三維瞬態(tài)模型,探究推進(jìn)劑泄漏和云團(tuán)擴(kuò)散的宏觀特性,以及環(huán)境溫度、大氣壓力、風(fēng)速等因素對(duì)泄漏擴(kuò)散過程的影響規(guī)律,以期為液氧泄漏試驗(yàn)的開展和事故的應(yīng)急處理提供理論支持。

1 模型建立

1.1 物理模型

經(jīng)過前期多次試算,在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下,決定選取60 m×50 m×3 m的空間區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。為了減少計(jì)算量,以Z=0 m平面為對(duì)稱面,只對(duì)一半的空間進(jìn)行計(jì)算,并選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其離散。泄漏口位于(10,1,0) m處,直徑為106 mm,液氧沿X軸方向水平流出。

由于泄漏口尺寸小,且周圍流體運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜,因此將計(jì)算流域分為近場區(qū)域和遠(yuǎn)場區(qū)域兩部分,兩部分之間用interface面進(jìn)行連接,對(duì)近場網(wǎng)格進(jìn)行加密,使網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量都滿足需要。全局最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m,水平和豎直方向最大尺寸分別為1 m和0.3 m,相鄰網(wǎng)格放大系數(shù)不超過1.2。計(jì)算域網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置如圖1所示,其中Y=0平面為水平混凝土地面,設(shè)置為無滑移壁面,具有10 m厚度,且厚度10 m處溫度為298 K,材料選擇C30混凝土。

圖1 計(jì)算域與邊界條件設(shè)置Fig.1 Computational domain and boundary conditions

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于液氧泄漏后蒸發(fā)的氧氣具有較大范圍的分布,氣液兩相的曳力規(guī)律不清晰,因此本文選用Mixture多相流模型?？紤]到兩相速度滑移與實(shí)際結(jié)果更為相符,故選擇slip velocity選項(xiàng)。液相為液氧,氣相為氧氣、氮?dú)夂退魵獾幕旌衔?相變傳質(zhì)系數(shù)取1。液氧泄漏擴(kuò)散過程涉及的液相體積分?jǐn)?shù)方程、相間滑移速度方程、組分輸運(yùn)方程、蒸發(fā)冷凝模型[16]如下。

液相體積分?jǐn)?shù)方程

(1)

式中:αp、αq分別為液相、氣相的體積分?jǐn)?shù);αl、αv分別為液相、氣相中某一組成的體積分?jǐn)?shù);ρp、ρq、ρm分別為液相密度、氣相密度和混合相密度;uq、um、udr,p、upq分別為氣相速度、混合相速度、液相的漂移速度和滑移速度;mqp、mpq、mpjqi、mqipj分別為氣相向液相傳遞的質(zhì)量、液相向氣相傳遞的質(zhì)量、由液相中第j組分向氣相中第i組分傳遞的質(zhì)量和由氣相中第i組分向液相中第j組分傳遞的質(zhì)量;t、α、J分別為時(shí)間、液相加速度和擴(kuò)散通量;Tl、Tv、Tsat分別為液相溫度、氣相溫度和飽和溫度。

相間滑移速度方程

(2)

組分輸運(yùn)方程

(3)

蒸發(fā)冷凝模型

(4)

式中:fdrag、p、Yqi分別為曳力系數(shù)、壓力、q相中第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);c、μm、τp分別為蒸發(fā)冷凝系數(shù)、混合物黏度、p相顆粒的弛豫時(shí)間;ml→v、mv→l分別代表液相至氣相、氣相至液相傳遞的質(zhì)量。

出院這天正好星期天，小本來接我，我第一件事便是把存折的密碼告訴了小本。我說，小本你一定要記牢，這可是你大學(xué)的學(xué)費(fèi)。小本把密碼當(dāng)場背了一遍，我這才放下心來。出了病房，我伸了個(gè)懶腰，頭還是有些暈，小白說，不能做體力活，還要在家休息兩個(gè)月。我說，除了有些頭暈，屁股疼，也沒覺出啥。小白說，那也不能掉以輕心。小白還對(duì)我說了許多注意事項(xiàng)。我問小白，那個(gè)救我的老板姓字名誰，能不能告拆我。小白笑道：這是秘密，我和人家可是有君子協(xié)定的。聽到此，我就感嘆了一下：做好事的少了，做好事不留姓名的就更加難能可貴。

1.3 模型設(shè)置

采用FLUENT 2020R1開展數(shù)值模擬,由于需要對(duì)液氧泄漏和擴(kuò)散的整個(gè)過程進(jìn)行模擬分析,所以需要求解瞬態(tài)問題,故壓力速度耦合選用PISO算法。在進(jìn)行液氧泄漏擴(kuò)散的計(jì)算之前,需要首先計(jì)算非穩(wěn)態(tài)的風(fēng)場作為非穩(wěn)態(tài)泄漏擴(kuò)散計(jì)算的初始條件,以提高計(jì)算精確度。壓力離散格式選擇Body Forced Weighted,其余項(xiàng)均選擇QUICK格式。時(shí)間步長隨著計(jì)算進(jìn)行逐漸從0.000 1 s增加到0.005 s,收斂判據(jù)為1×10-3。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性和模型驗(yàn)證

在液氧泄漏擴(kuò)散模型的網(wǎng)格劃分中,本文選擇3種數(shù)量(520 198、622 492、712 936)的網(wǎng)格,并選取計(jì)算域中6個(gè)位置處的氧氣體積分?jǐn)?shù)、溫度進(jìn)行比較。如圖2所示,網(wǎng)格數(shù)為622 492和712 936時(shí)的計(jì)算結(jié)果差距最大僅為0.1%,而網(wǎng)格數(shù)為520 198時(shí)的計(jì)算結(jié)果差距較大,因此可以認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到622 492時(shí),足夠滿足網(wǎng)格密度的需要。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence validation

圖3 點(diǎn)(4.5,0.25) m處模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 A comparison of simulation and experimental results at point (4.5,0.25) m

圖4 點(diǎn)(7.5,0.75) m處模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig4 A comparison of simulation and experimental results at point (7.5,0.75) m

目前,國內(nèi)外鮮見液氧泄漏相關(guān)實(shí)驗(yàn)的公開報(bào)道,因此本文選用英國健康安全實(shí)驗(yàn)室的液氫泄漏實(shí)驗(yàn)5[17]來驗(yàn)證低溫推進(jìn)劑泄漏擴(kuò)散模型的正確性。圖3、圖4為使用本文建立的低溫推進(jìn)劑泄漏擴(kuò)散模型計(jì)算得到的對(duì)稱面上兩點(diǎn)的氫氣體積分?jǐn)?shù)與Giannissi通過ADREA-HF程序計(jì)算得到的結(jié)果[17]、實(shí)驗(yàn)5[17]結(jié)果的對(duì)比。圖5、圖6為實(shí)驗(yàn)5氫氣可視云團(tuán)形態(tài)和本文模擬得到的氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖?？紤]到實(shí)驗(yàn)中大氣不穩(wěn)定度、傳感器誤差的影響,認(rèn)為本文模擬結(jié)果的平均氫氣體積分?jǐn)?shù)、最大氫氣體積分?jǐn)?shù)與英國健康安全實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,且在點(diǎn)(4.5,0.25) m、(7.5,0.75) m處的氫氣體積分?jǐn)?shù)與Giannissi等人的模擬結(jié)果相符合,可以說明本文所建立的低溫推進(jìn)劑泄漏擴(kuò)散模型對(duì)模擬液氫泄漏擴(kuò)散具有一定的適用性。唐鑫等建立了相似的低溫推進(jìn)劑泄漏擴(kuò)散模型對(duì)液氫、液氧低溫推進(jìn)劑的擴(kuò)散特性進(jìn)行了模擬研究[18],結(jié)果顯示氫氣云團(tuán)在豎直方向和下風(fēng)向擴(kuò)散范圍較大,而氧氣團(tuán)一直匍匐在地表,在水平地面上擴(kuò)散范圍較廣,符合液氧、液氫泄漏擴(kuò)散的宏觀規(guī)律,說明本文建立的泄漏擴(kuò)散模型可以用來模擬液氧的泄漏擴(kuò)散。

圖5 液氫泄漏實(shí)驗(yàn)云團(tuán)Fig.5 An experimental cloud of liquid hydrogen leakage

圖6 液氫泄漏模擬云團(tuán)Fig.6 A simulation cloud of liquid hydrogen leakage

2 模擬結(jié)果與討論

當(dāng)外界溫度在233.16 K以下時(shí),現(xiàn)場設(shè)施和人體會(huì)受到低溫危害[19],當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)高于30%時(shí)對(duì)可燃物具有明顯的助燃作用[20],因此將233.16 K和30%的氧氣體積分?jǐn)?shù)邊界作為本文的危險(xiǎn)判定標(biāo)準(zhǔn),定義溫度低于233.16 K的區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)域,氧氣體積分?jǐn)?shù)高于30%的區(qū)域?yàn)楦哐鯘舛葏^(qū)域。

2.1 液氧泄漏擴(kuò)散過程

以風(fēng)速3 m/s、環(huán)境溫度298 K、大氣壓力0.1 MPa、泄漏量5 kg/s,順風(fēng)方向作為基本工況研究了液氧泄漏擴(kuò)散過程。從液氧泄漏開始到危險(xiǎn)區(qū)域達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)需要約35 s,如圖7所示,可分為兩個(gè)主要階段:①第一階段,液氧開始泄漏,在重力作用下到達(dá)地面向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng),形成液池,由于存在巨大的溫差,液氧從地面和空氣中吸收熱量并劇烈蒸發(fā);②第二階段,氧氣團(tuán)繼續(xù)從地面和空氣中吸收熱量,溫度上升,并且在風(fēng)的輸送和摻混稀釋作用下氧氣濃度不斷降低,直到溫度和濃度都擴(kuò)散出危險(xiǎn)范圍。

由于液氧泄漏存在初速度,導(dǎo)致順風(fēng)方向流動(dòng)的液氧相比逆風(fēng)方向的要多,但是順風(fēng)方向液氧流動(dòng)的速度較快,并且不斷向兩側(cè)擴(kuò)展,分布的面積較大,單位面積上蒸發(fā)的液氧有限,導(dǎo)致氧氣濃度與展向的高濃度區(qū)域相比相對(duì)較低。而逆風(fēng)方向和側(cè)向流動(dòng)的液氧在風(fēng)力的作用下,速度逐漸降低,方向改變,在展向形成一片液氧集聚區(qū),并且在流動(dòng)過程中與周圍空氣和地面不斷交換熱量,蒸發(fā)產(chǎn)生較高的氧氣濃度,并顯示出側(cè)面“拉長”的葉狀分叉特征。在泄漏源附近,液氧從周圍環(huán)境吸收熱量蒸發(fā)后,由于氧氣團(tuán)與空氣摻混稀釋有限,導(dǎo)致氧氣團(tuán)濃度較高的同時(shí)保持著較低的溫度,因此在液氧泄漏擴(kuò)散過程中,高氧濃度區(qū)域和低溫區(qū)域在空間分布上具有一致性。

(a)低溫區(qū)域

(b)高氧濃度區(qū)域

2.2 環(huán)境溫度對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響

環(huán)境溫度對(duì)液氧泄漏擴(kuò)散過程具有重要的影響,常壓下液氧的飽和溫度僅為90.062 K,一旦出現(xiàn)泄漏,液氧及氧氣團(tuán)將在巨大溫差的作用下與空氣和地面不斷進(jìn)行換熱,使得液氧蒸發(fā),氧氣團(tuán)與空氣混合稀釋,溫度升高。為了分析環(huán)境溫度對(duì)液氧泄漏擴(kuò)散過程的影響,在模型中設(shè)置環(huán)境溫度分別為278、288、298、308 K,并重新計(jì)算泄漏過程。

在逆風(fēng)方向,低溫區(qū)域和高氧濃度區(qū)域的擴(kuò)展距離隨著環(huán)境溫度的升高有所增加,如圖9、圖10所示。這是由于在泄漏近場,溫差是液氧蒸發(fā)和氧氣擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿?環(huán)境溫度升高,溫差增大,液氧蒸發(fā)速度加快,蒸發(fā)產(chǎn)生的氧氣增多,低溫氧氣團(tuán)與空氣的摻混也更加強(qiáng)烈,導(dǎo)致低溫區(qū)域和高氧濃度區(qū)域最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離增加。

但是由于決定逆風(fēng)方向低溫區(qū)域和高氧濃度區(qū)域擴(kuò)展距離的主要因素是風(fēng),因此隨著溫度的繼續(xù)升高,低溫區(qū)域和高氧濃度區(qū)域在逆風(fēng)方向的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離并沒有太大的變化。高濃度氧氣團(tuán)在順風(fēng)方向最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離隨著溫度升高而延長,從33.6 m依次增加到36.2、37.5和38.1 m,因?yàn)樵诮鼒鰠^(qū)域擴(kuò)散的動(dòng)力主要是溫度差,而在遠(yuǎn)場區(qū)域擴(kuò)散動(dòng)力主要是氧氣濃度差;隨著溫度從278 K增加到308 K,空氣密度從1.253 8 kg/m3依次降低到1.210 1、1.169 4、1.131 4 kg/m3,空氣受到的浮力增大,阻礙了氧氣團(tuán)的擴(kuò)散,導(dǎo)致濃度較高的氧氣團(tuán)擴(kuò)散出高濃度范圍所需要的時(shí)間和距離都增加。因此簡單地提高風(fēng)溫并不是促進(jìn)泄漏的液氧快速稀釋擴(kuò)散的有效方法。

(a)低溫區(qū)域

(b)高氧濃度區(qū)域

圖9 不同環(huán)境溫度下低溫區(qū)域的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig9 The maximum expansion distance of the cryogenic zone at different ambient temperatures

圖10 不同環(huán)境溫度下高氧濃度區(qū)域最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig.10 The maximum expansion distance of the high oxygen concentration zone at different ambient temperatures

2.3 風(fēng)速對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響

風(fēng)對(duì)氧氣團(tuán)的擴(kuò)散作用有兩個(gè)方面:一是輸送作用,二是混合稀釋作用。為了探究風(fēng)速對(duì)于大規(guī)模液氧泄漏擴(kuò)散行為的影響,針對(duì)無風(fēng)、微風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)、疾風(fēng)、狂風(fēng)天氣分別設(shè)置了0、1、3、5和10 m/s的風(fēng)速條件。

如圖11所示,無風(fēng)時(shí),氧氣團(tuán)在順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)方向自由擴(kuò)散,需要約80 s達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。由于泄漏初速度的存在,在順風(fēng)方向上擴(kuò)展距離較遠(yuǎn),此時(shí)低溫區(qū)域面積最大,達(dá)到175.4 m2,高氧濃度區(qū)域同樣最大,

達(dá)到257.0 m2。隨著風(fēng)速從0 m/s增加到10 m/s,低溫區(qū)域面積減小到32.81 m2,高氧濃度區(qū)域面積減小到50.70 m2,因?yàn)轱L(fēng)速增加,空氣的脈動(dòng)速度增大,湍流強(qiáng)度增大,導(dǎo)致低溫云團(tuán)和空氣之間相互摻混增強(qiáng),空氣對(duì)氧氣的攜帶能力增強(qiáng),加快了氧氣團(tuán)的稀釋擴(kuò)散,同時(shí)增加的湍流強(qiáng)度也加速了氧氣團(tuán)與周圍環(huán)境的熱交換,加快了低溫云團(tuán)溫度的上升,導(dǎo)致低溫面積和高氧濃度區(qū)域面積減小。

(a)低溫區(qū)域

(b)高氧濃度區(qū)域

圖12 不同風(fēng)速下低溫區(qū)域的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig.12 The maximum expansion distance of the cryogenic zone at different ambient temperatures

圖13 不同風(fēng)速下高氧濃度區(qū)域最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig.13 The maximum expansion distance of the high oxygen concentration zone at different ambient temperatures

如圖12、圖13所示,當(dāng)風(fēng)速增加到1 m/s時(shí),風(fēng)的攜帶作用使云團(tuán)在順風(fēng)方向最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離增加,卻抑制了逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)方向的運(yùn)動(dòng)。逆風(fēng)方向的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離隨著風(fēng)速增大持續(xù)縮短,當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí),危險(xiǎn)云團(tuán)逆風(fēng)方向邊界已經(jīng)到達(dá)泄漏口下方位置。而在順風(fēng)方向上,隨著風(fēng)速增大,對(duì)稱面附近氧氣團(tuán)溫度上升,濃度下降,并擴(kuò)散出危險(xiǎn)范圍。同時(shí),風(fēng)速增加提高了氣云下風(fēng)向的漂移速度,促進(jìn)了側(cè)向的低溫高濃度氧氣團(tuán)向下游移動(dòng),使得側(cè)向拉長區(qū)域在順風(fēng)方向和側(cè)向最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離增大。可以看出,增加風(fēng)速加速了泄漏液氧的稀釋和擴(kuò)散,故在發(fā)生液氧泄漏時(shí),可以適宜采取增大風(fēng)速的方式進(jìn)行事故處置。

2.4 大氣壓力對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響

為了研究不同大氣壓力下液氧泄漏的擴(kuò)散規(guī)律,本文選取0.09、0.095、0.1、0.105和0.11 MPa 5種工況進(jìn)行研究。危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)展距離如圖14、圖15所示,危險(xiǎn)區(qū)域分布如圖16所示?？梢钥闯?隨著大氣壓力的增大,低溫傷害最遠(yuǎn)距離從26.5 m縮短到20.05 m,危險(xiǎn)濃度區(qū)域最遠(yuǎn)距離從38.81 m縮短到30.82 m。低溫區(qū)域的面積從166.3 m2減小到120.8 m2,高氧濃度區(qū)域的面積從257.2 m2減小到193.5 m2,因?yàn)榇髿鈮毫Φ奶岣咴黾恿搜鯕夂涂諝獾拿芏?導(dǎo)致空氣與氧氣團(tuán)向下沉,氧氣團(tuán)與周圍空氣之間相互作用增強(qiáng),摻混增強(qiáng),不斷交換質(zhì)量和傳遞熱量,有利于低溫氧氣云團(tuán)的快速擴(kuò)散。

圖14 不同環(huán)境壓力下低溫區(qū)域的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig.14 The maximum expansion distance of the cryogenic zone at different atmospheric pressures

圖15 不同大氣壓力下高氧濃度區(qū)域最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig.15 The maximum expansion distance of the high oxygen concentration zone at different atmospheric pressures

(a)低溫區(qū)域

(b)高氧濃度區(qū)域

但在大氣壓力從0.095 MPa增加到0.1 MPa這個(gè)階段,大氣壓力的增大導(dǎo)致空氣和氧氣的密度增大,氧氣團(tuán)分布范圍的高度下降,從而使氧氣團(tuán)迎風(fēng)面積減小,氧氣團(tuán)前緣受到空氣施加的順風(fēng)方向的推動(dòng)力減小,在云團(tuán)前緣位置,氧氣團(tuán)與空氣的相互作用減弱,導(dǎo)致危險(xiǎn)云團(tuán)側(cè)風(fēng)方向,最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離從10.4 m縮減到9.4 m,但在逆風(fēng)方向,最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離從0.21 m增加到0.55 m。

在0.1 MPa到0.11 MPa這個(gè)階段,壓力增大導(dǎo)致氣體密度增大重新占據(jù)了影響液氧泄漏擴(kuò)散現(xiàn)象的主導(dǎo)地位,低溫區(qū)域、高氧濃度區(qū)域的面積持續(xù)減小,各區(qū)域在順風(fēng)方向和逆風(fēng)方向的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離均減小。但在側(cè)風(fēng)方向上,由于風(fēng)力作用的增強(qiáng),風(fēng)力推動(dòng)云團(tuán)向順風(fēng)方向運(yùn)動(dòng),與增大風(fēng)速的影響相似,云團(tuán)在側(cè)向最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離增加。

2.5 大氣相對(duì)濕度對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響

常壓下液氧沸點(diǎn)很低,僅為90.062 K,而空氣中水蒸氣的露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于90.062 K,水蒸氣便會(huì)冷凝甚至凝固,釋放的熱量被氧氣團(tuán)吸收,此外液滴、固態(tài)水造成氧氣團(tuán)密度改變會(huì)影響氧氣團(tuán)的擴(kuò)散特性,并且我國幾個(gè)主要航天發(fā)射場地理環(huán)境不同,相對(duì)濕度存在較大差異,因此本節(jié)選擇相對(duì)濕度為20%、40%、60%、80%和100% 5個(gè)工況研究大氣濕度對(duì)液氧泄漏擴(kuò)散的影響規(guī)律。

如圖17所示,隨著大氣相對(duì)濕度從20%逐漸增加到100%,低溫區(qū)域的面積從122.0 m2依次縮小到100.8、86.7、75.9和67.1 m2,而高氧濃度區(qū)域面積從231.9 m2依次擴(kuò)大到235.8、243.7、250.9和258.3 m2,并且地面附近最高氧氣體積分?jǐn)?shù)也從46.75%依次增長到47.53%、48.18%、48.80%和49.36%。如圖18、圖19所示,低溫區(qū)域在順風(fēng)和側(cè)風(fēng)方向最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離與面積變化一致,隨相對(duì)濕度增加,擴(kuò)展距離縮短,高氧濃度區(qū)域在順風(fēng)方向和側(cè)向的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離小幅增大,其中順風(fēng)方向最遠(yuǎn)距離從37.67 m增加到39.24 m,兩個(gè)區(qū)域的逆風(fēng)方向距離基本不變?？諝獾陀诼饵c(diǎn)溫度,水蒸氣發(fā)生相變,在冷凝甚至凝固的過程中放出熱量,雖然空氣中水蒸氣含量較低,但是水的汽化潛熱高達(dá)2 260 kJ/kg,并且低于露點(diǎn)發(fā)生相變的空間范圍很大。液氧和氧氣團(tuán)吸收熱量后蒸發(fā)加快,溫度升高,低溫區(qū)域的分布范圍縮小。但是氧氣團(tuán)溫度升高導(dǎo)致氧氣團(tuán)與空氣的溫度差縮小,摻混減弱,并且水蒸氣冷凝和凝固產(chǎn)生的液滴和固態(tài)水會(huì)導(dǎo)致氧氣團(tuán)密度增大,空氣受到的浮力增大,抑制了氧氣團(tuán)的稀釋擴(kuò)散,導(dǎo)致氧氣團(tuán)稀釋所需要的物理空間變大。

(a)低溫區(qū)域

(b)高氧濃度區(qū)域

圖18 不同相對(duì)濕度下低溫區(qū)域的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig.18 The maximum expansion distance of the cryogenic zone at different relative humidity

圖19 不同相對(duì)濕度下高氧濃度區(qū)域最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離Fig.19 The maximum expansion distance of the high oxygen concentration zone at different relative humidity

3 結(jié) 論

(1)液氧連續(xù)泄漏初始階段云團(tuán)向周圍擴(kuò)散,約35 s后危險(xiǎn)區(qū)域的溫度場和氧氣濃度場趨于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),并且溫度與氧氣濃度分布相對(duì)應(yīng),溫度越低的地方氧氣濃度越高。

(2)環(huán)境溫度越高,液氧蒸發(fā)越快,氧氣云團(tuán)升溫越快,低溫區(qū)域面積從251.3 m2減小到110.3 m2,而高濃度氧氣云團(tuán)面積從205.3 m2擴(kuò)大到232.5 m2,擴(kuò)展距離最遠(yuǎn)達(dá)到38.1 m。

(3)隨著風(fēng)速的增加,空氣的脈動(dòng)速度增大,湍流強(qiáng)度增大,導(dǎo)致低溫云團(tuán)和空氣之間相互摻混增強(qiáng),低溫區(qū)域面積從175.4 m2縮小到32.8 m2,高氧濃度區(qū)域面積從257.0 m2減小到50.7 m2。

(4)大氣壓力的提高增加了氧氣和空氣的密度,氧氣團(tuán)與空氣的相互作用增強(qiáng),促進(jìn)了氧氣團(tuán)的稀釋擴(kuò)散,低溫區(qū)域面積從166.3 m2減小到120.8 m2,高氧濃度區(qū)域面積從257.2 m2減小到193.5 m2。

(5)大氣中水蒸氣的相變?cè)黾恿搜鯕鈭F(tuán)的溫度和密度,加快了液氧的蒸發(fā),卻抑制了氧氣團(tuán)的稀釋擴(kuò)散,隨著大氣濕度的提高,最高氧氣體積分?jǐn)?shù)從46.75%增長到49.36%,最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離從37.67 m增加到39.24 m。