范林盛 劉 勇,2,3講師 李潤求,2教授 施星宇講師 周榮義,2,3副教授

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；4.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

隨著化工行業(yè)的不斷發(fā)展，氯氣在工業(yè)上的用途越來越廣泛，目前氯氣儲(chǔ)運(yùn)主要采用壓縮和低溫液化工藝，其液化氣體具有毒性、燃爆性、強(qiáng)腐蝕性等特點(diǎn)，在道路運(yùn)輸過程中涉及到周圍環(huán)境、駕駛員、運(yùn)輸車、運(yùn)輸介質(zhì)、應(yīng)急管理等不確定因素，很大程度上增加了事故風(fēng)險(xiǎn)[1]，極易導(dǎo)致氯氣泄漏。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013-2019年共發(fā)生危化品道路運(yùn)輸事故2 317起，其中泄漏事故占80%[2-3]，事故一旦發(fā)生，輕則造成環(huán)境污染，重則危及周邊地區(qū)人民群眾的生命和健康安全[4]。

21世紀(jì)，國內(nèi)外學(xué)者在?；返缆愤\(yùn)輸領(lǐng)域做了大量研究，早期主要集中在實(shí)驗(yàn)、事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及模型研究幾個(gè)方面。2002年，潘旭海等[5]對(duì)我國發(fā)生的重(特)大、典型事故案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了16種泄漏模式。近年來隨現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件為主的數(shù)值模擬方法，如黃琴、王東東、于立見、Robin K.S. Hankin等[6-10]對(duì)危險(xiǎn)重氣瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏進(jìn)行了研究。該方法在20世紀(jì)前就已經(jīng)誕生，但在近20年才真正得到較為廣泛的應(yīng)用，CFD方法的出現(xiàn)很好地克服了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的弱點(diǎn)，適用性廣，又可形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景，如今已大量運(yùn)用在?；沸孤┭芯恐小Ｖ軐幍萚11]研究了大型LNG儲(chǔ)罐連續(xù)泄漏擴(kuò)散過程的敏感影響因素；張錦榮等[12]根據(jù)不同氯氣濃度對(duì)人體的危害程度和擴(kuò)散濃度等值曲線，將危險(xiǎn)區(qū)域劃分為輕度、中度、重度和立即致死4個(gè)區(qū)域；鐘岸等[13]研究了環(huán)氧乙烷隨泄漏速率、自然風(fēng)速和地面粗糙度變化時(shí)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散變化規(guī)律；王文和等[14]基于Fluent探討了改變泄漏速度、自然風(fēng)速對(duì)氯氣泄漏分布帶來的影響。

以往氯氣泄漏數(shù)值模擬更多地關(guān)注在氣相泄漏，針對(duì)罐體不同相態(tài)泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究相對(duì)較少。液氯槽罐車在運(yùn)輸過程中發(fā)生泄漏時(shí)，不僅僅是單一的氣相泄漏，也可能是兩相流泄漏或液體泄漏。由于泄漏孔的位置將直接影響泄漏相態(tài)的變化，可將其分為泄漏口位于液面以上的氣相泄漏或位于液面以下的液相泄漏2種泄漏模式。綜上，本文采用Fluent軟件對(duì)液氯槽罐車不同泄漏模式進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬，深入分析風(fēng)向、風(fēng)速、泄漏孔徑對(duì)其泄漏擴(kuò)散過程的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 液氯槽罐車泄漏物理模型

在液氯槽罐車道路運(yùn)輸過程中，由于車輛碰撞、刮擦、側(cè)翻等原因，導(dǎo)致罐體受損從而引發(fā)泄漏事故。假定某液氯槽罐車在行駛過程中發(fā)生碰撞導(dǎo)致罐體尾部出現(xiàn)泄漏。泄漏過程中，由于連續(xù)性泄漏具有蒸氣云團(tuán)等明顯現(xiàn)象，或車輛自身具有報(bào)警功能，可被立即發(fā)現(xiàn)，因此，模擬過程中將其假定為固定泄漏源。為簡化槽罐車模型，將其假定為長10m，直徑4m的圓形儲(chǔ)罐，距離地面高度為1m?？紤]計(jì)算精度、計(jì)算機(jī)資源和阻塞率原則，計(jì)算域?yàn)?00m×50m×30m。使用ICEM CFD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為60萬。采用“密度盒”網(wǎng)格加密方法，考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力及網(wǎng)格質(zhì)量，因此僅對(duì)罐體泄漏口下風(fēng)向網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖1。模型中X軸正方向?yàn)轫橈L(fēng)向，左側(cè)為風(fēng)速入口，右側(cè)為出口；X軸負(fù)方向?yàn)槟骘L(fēng)向，出入口相反。風(fēng)速入口給定速度入口(Velocity Inlet)，氯氣泄漏口給定質(zhì)量流率入口(Mass Flow Inlet)；罐體和四周設(shè)為固壁(Wall)條件。

圖1 計(jì)算域和網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and grid

本文所述氯氣泄漏后的流動(dòng)可看為湍流流動(dòng)過程，湍流模型選擇Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型，即“可實(shí)現(xiàn)”一詞也意味著模型中與雷諾應(yīng)力有關(guān)的量滿足某些數(shù)學(xué)限制，與實(shí)際流動(dòng)的物理情況相符，不僅能夠有效用于彎曲壁面流動(dòng)，還能模擬包含有射流和混合流的自由流動(dòng)。利用該模型模擬氯氣泄漏過程的射流現(xiàn)象更具有優(yōu)勢。

(1)湍流動(dòng)能方程(k方程)。

(1)

式中：

k—湍流動(dòng)能，m2/s2；

ε—湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3；

t—時(shí)間，s；

ρ—密度，kg/m3；

ui—時(shí)均速度，m/s；

μ—湍流粘度，Pa·s；

μt—湍流粘性系數(shù)，Pa·s；

xj,xi—空間坐標(biāo)；

Pk—平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；

Pb—浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；

Sk—用戶自定義源項(xiàng)；

σk—湍流動(dòng)能對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；

YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。

(2)耗散率方程(ε方程)。

(2)

式中：

υ—運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；

S—廣義源項(xiàng)；

σε—耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；

Sε—用戶自定義源項(xiàng)；

C1ε,C3ε,C2—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

η=Sk/ε；

1.2 泄漏量計(jì)算與條件假設(shè)

泄漏包括氣相、兩相流、液相3種泄漏源模式，由于液氯槽罐車罐體壁厚一般小于10cm，泄漏流程長度很短，存在不平衡條件，使得液氯沒有時(shí)間在孔洞內(nèi)閃蒸，不會(huì)形成兩相流，因此僅考慮氣相、液相2種泄漏情形[15]，其泄漏模式見表1。

表1 液氯槽罐車泄漏模式Tab.1 The leakage model for the liquid chlorine tank

模擬過程中，發(fā)生氣相空間泄漏時(shí)，使用組分運(yùn)輸模型模擬氯氣泄漏擴(kuò)散過程；發(fā)生液相空間泄漏時(shí)，考慮到液氯流出后在外部迅速發(fā)生閃蒸，可使用混合模型和組分運(yùn)輸模型模擬液氯泄漏擴(kuò)散過程。泄漏速率可根據(jù)伯努利方程計(jì)算[16]：

(1)氣體泄漏。

(3)

(4)

式中：

Qm—氯氣質(zhì)量流率，kg/s；

C0—?dú)怏w泄漏系數(shù)，圓形泄漏口可取1；

A—泄漏口橫截面積，m2；

p—罐體內(nèi)部壓力，取1MPa；

p0—環(huán)境壓力，101kPa；

M—相對(duì)分子質(zhì)量，kg/mol；

T—?dú)怏w溫度，取288.15K；

γ—?dú)怏w等熵指數(shù)，氯氣取1.35；

Rg—?dú)怏w常數(shù)，通常取值8.314 36 J/mol·k。

(2)液體泄漏。

(5)

式中：

Cd—液體泄漏系數(shù)，通常取0.60～0.65；

ρf—泄漏液體密度，取1 398kg/m3；

h—裂口上液位高度，取2.5m；

g—引力常數(shù)，取9.8m/s2。

液氯泄漏后與外界環(huán)境接觸會(huì)立即發(fā)生閃蒸，可根據(jù)式(6)判斷是否形成液池：

(6)

式中：

Cp—兩相混合物的定壓比熱，取0.957kJ/kg·K；

T0—泄漏前液體溫度，取298.15K；

Tb—液體在常壓下的沸點(diǎn)，取238.65K；

H—液體的汽化熱，取280kJ/kg。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)Fv>0.2時(shí)，地面一般不會(huì)形成液池。

由幾何模型數(shù)據(jù)計(jì)算得液氯槽罐車氣體泄漏質(zhì)量流量為0.92kg/s，液體泄漏質(zhì)量流量為4.03kg/s。模擬基本假設(shè)和簡化條件如下：液氯罐體泄漏口處的泄漏速率恒定；罐體視為絕熱壁面，環(huán)境初始溫度為25℃；泄漏過程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)；風(fēng)速為水平方向，大小恒定，不隨高度與溫度變化；假設(shè)泄漏氣體和環(huán)境氣體為理想氣體。

2 模擬結(jié)果分析

氯氣是一種具有強(qiáng)腐蝕性的有毒氣體，對(duì)環(huán)境與人體的危害極大，即使吸入少量也會(huì)導(dǎo)致致命性傷害甚至死亡。根據(jù)《工作場所空氣中有毒物質(zhì)容許濃度》中規(guī)定，大氣中所存在氯濃度大于3 000mg/m3時(shí)人體吸入少量就會(huì)立即死亡，換算成體積摩爾濃度為4.23×10-5kmol/m3。為研究不同泄漏模式對(duì)事故后果的影響，分析不同風(fēng)速、風(fēng)向、泄漏孔徑對(duì)其泄漏擴(kuò)散過程的影響，對(duì)如下工況進(jìn)行模擬，見表2。

表2 氯氣泄漏工況Tab.2 Chlorine gas leakage conditions

2.1 氣相空間泄漏模擬分析

泄漏口設(shè)置在液面以上，距罐頂0.5m處，取平面y=1.5m為呼吸高度，對(duì)該平面的氯氣泄漏擴(kuò)散云圖進(jìn)行分析。圖2為發(fā)生氣相空間泄漏時(shí)，不同風(fēng)向、風(fēng)速條件下平面y=1.5m的氯氣濃度分布云圖。當(dāng)風(fēng)向?yàn)轫橈L(fēng)向時(shí)，在云團(tuán)的橫截面上，泄漏初期階段氯氣主要聚集在罐體正前方，并隨著風(fēng)速增大，沿X軸的擴(kuò)散速度越快、距離越遠(yuǎn)，沿Z軸的擴(kuò)散距離縮小。

當(dāng)風(fēng)向?yàn)槟骘L(fēng)向時(shí)，風(fēng)速越大，罐體周圍的氯氣稀釋的越快。在擴(kuò)散過程中氯氣先沿順風(fēng)向擴(kuò)散后又反向擴(kuò)散，這是由于罐體內(nèi)部壓力高于環(huán)境壓力，蒸氣以一定初速度向外噴射，受到空氣阻力及風(fēng)向的影響，氯氣速度減小隨后反向流動(dòng)擴(kuò)散。比較分析知，氣相空間泄漏擴(kuò)散的范圍大小受風(fēng)向的影響不明顯，風(fēng)速的增加加劇了氣云的平流輸送作用，單位時(shí)間內(nèi)向前輸送的距離越遠(yuǎn)。

2.2 液相空間泄漏模擬分析

改變泄漏孔高度，將其設(shè)置在液面以下距罐底1m處。圖3為液相空間泄漏不同風(fēng)向、風(fēng)速條件下平面y=1.5m氯氣濃度分布云圖。順風(fēng)向泄漏擴(kuò)散時(shí)，云團(tuán)出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，具有中間低、兩側(cè)高的特點(diǎn)，分析認(rèn)為由于液氯泄漏時(shí)存在初始動(dòng)量，流落到地面后受到風(fēng)速影響開始向側(cè)前方蔓延同時(shí)發(fā)生閃蒸，而罐體正前方速度較小，并沿側(cè)前方逐漸增大，風(fēng)速增大使得湍流運(yùn)動(dòng)越劇烈，大氣湍流效應(yīng)與重力共同作用使得氯氣呈現(xiàn)向前向上的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，且兩側(cè)擴(kuò)散速度高于中間部分。

逆風(fēng)向泄漏擴(kuò)散時(shí)，云團(tuán)前端出現(xiàn)“尖端”，濃度高于兩側(cè)，這是由于在X軸方向上距罐體越遠(yuǎn)風(fēng)速越大，導(dǎo)致云團(tuán)前端的擴(kuò)散速度比兩側(cè)快，從而出現(xiàn)濃度“尖端”。由圖3可以看出，液相空間泄漏范圍呈扇形展開，順風(fēng)向與逆風(fēng)向泄漏擴(kuò)散范圍受風(fēng)速影響明顯，風(fēng)速越大時(shí)，致命范圍越大，擴(kuò)散速度越快。

圖2 氣相空間泄漏擴(kuò)散云圖Fig.2 Contours of leakage and diffusion in gas phase space

圖3 液相空間泄漏擴(kuò)散云圖Fig.3 Contours of liquid leakage and diffusion in liquid phase space

2.3 不同泄漏模式同風(fēng)向擴(kuò)散對(duì)比分析

為分析液氯槽罐車氣相空間、液相空間泄漏擴(kuò)散濃度分布特點(diǎn)，設(shè)置Z軸中心處高度y為1、2、3、4m的4條線段，在不同風(fēng)速條件下，氯氣順風(fēng)向泄漏40s時(shí)，監(jiān)測沿X軸方向上的氯氣濃度變化情況。由圖4可知，液氯槽罐車發(fā)生液相空間泄漏時(shí)，在x=5～10m段(泄漏口處周圍)出現(xiàn)氯氣濃度的最大值，隨后緩慢下降，且大量的氯氣主要沉聚在距地高度1m以下；對(duì)比風(fēng)速為2、4m/s條件下氯氣濃度的分布，速度較大時(shí)，高度y=1m處氯氣濃度較小。

發(fā)生氣相空間泄漏時(shí)，在y=4m，x=10m處(泄漏口附近)出現(xiàn)濃度最大值并隨著擴(kuò)散沿X軸方向迅速降低；對(duì)比風(fēng)速為2、4m/s條件下氯氣濃度的分布，當(dāng)風(fēng)速為2m/s時(shí)氯氣濃度下降趨勢較快，在x=16m處氯氣沉降到高度y=1m，隨后氯氣濃度出現(xiàn)緩慢上升，這是因?yàn)樵诼葰馀c空氣混合后密度減小，氣云緩慢上升，同時(shí)受到風(fēng)速影響繼續(xù)向前輸送，導(dǎo)致氯氣濃度出現(xiàn)短暫上升階段，在擴(kuò)散一段距離后氯氣進(jìn)一步被稀釋，濃度開始緩慢下降；當(dāng)

圖4 氣相、液相空間泄漏氯氣濃度隨擴(kuò)散距離變化Fig.4 The chlorine concentration changes with different diffusion distance when leakage in the liquid phase and gas phase space

風(fēng)速為4m/s時(shí)氯氣濃度下降趨勢相對(duì)緩慢，在x=20m處氯氣沉降到高度y=1m。

為探究液氯槽罐車泄漏后的氯氣濃度變化規(guī)律，進(jìn)行多組不同泄漏時(shí)間的模擬計(jì)算分析，計(jì)算至120s時(shí)，其氯氣濃度具有逐漸穩(wěn)定的趨勢。圖5、6為不同泄漏模式泄漏120s，監(jiān)測點(diǎn)(30,1.5,0)的氯氣濃度變化情況。發(fā)生氣相空間泄漏時(shí)，不同風(fēng)速條件下監(jiān)測點(diǎn)處濃度值最高均達(dá)到6×10-4kmol/m3，并在泄漏初期濃度曲線出現(xiàn)振蕩，60s后保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)速越高，曲線振蕩越劇烈，相對(duì)穩(wěn)定后的濃度越低。

發(fā)生液相空間泄漏時(shí)，曲線未出現(xiàn)劇烈振蕩現(xiàn)象，僅有一個(gè)峰值。當(dāng)風(fēng)速為2m/s，曲線在40s處達(dá)到峰值濃度2.7×10-4kmol/m3，60s后保持平穩(wěn)；當(dāng)風(fēng)速為4m/s，曲線在20s處達(dá)到峰值濃度5.5×10-5kmol/m3，40s后保持平穩(wěn)。兩者對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越大時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)濃度變化速率越快，峰值濃度越低，保持相對(duì)平穩(wěn)后的氯氣濃度也越低，表明隨風(fēng)速增加大氣湍流作用越強(qiáng)，擴(kuò)散作用越明顯。

圖5 點(diǎn)(30,1.5,0)氣相空間氯氣濃度監(jiān)測曲線Fig.5 The observation curve of the chlorine concentration in gas phase space at point (30,1.5,0)

圖6 點(diǎn)(30,1.5,0)液相空間氯氣濃度監(jiān)測曲線Fig.6 The observation curve of the chlorine concentration in liquid phase space at point (30,1.5,0)

2.4 不同泄漏孔徑泄漏影響分析

考慮順風(fēng)向自然風(fēng)速為4m/s時(shí)，泄漏孔徑分別為3、6、10mm的泄漏擴(kuò)散情形，圖7為泄漏擴(kuò)散15s時(shí)平面y=1.5m的氯氣濃度分布情況。當(dāng)泄漏孔徑為3mm時(shí)，氣相泄漏的致命范圍僅出現(xiàn)在罐體后部，范圍較?。灰合嘈孤何闯霈F(xiàn)氯氣致命濃度范圍，此時(shí)周圍人員應(yīng)迅速撤離。當(dāng)泄漏孔徑為10mm時(shí)，液相泄漏的致命范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣相泄漏，在Z軸方向的擴(kuò)散距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3、6mm小泄漏孔?？梢钥闯?，隨泄漏孔徑的增大，氣相、液相泄漏模式的致命范圍均隨即擴(kuò)大。

圖7 不同泄漏孔徑氯氣濃度分布云圖Fig.7 Contours of chlorine concentration distribution in different hole size

3 結(jié)論

(1)對(duì)比2種泄漏模式，風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)氣相空間泄漏擴(kuò)散的范圍大小的影響主要體現(xiàn)在Z軸方向，液相空間泄漏擴(kuò)散范圍的影響更為明顯。當(dāng)風(fēng)速為2m/s，無論風(fēng)向?yàn)轫橈L(fēng)向或逆風(fēng)向，氣相空間泄漏擴(kuò)散的致命范圍均大于液相空間泄漏；當(dāng)風(fēng)速為4m/s，液相空間泄漏擴(kuò)散的致命范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣相空間泄漏擴(kuò)散的致命范圍。

(2)氣相空間氯氣泄漏初期不穩(wěn)定，濃度變化起伏較大，液相空間泄漏過程相對(duì)穩(wěn)定，氯氣主要聚集在距地高度1m以下；風(fēng)速對(duì)2種泄漏模式擴(kuò)散過程的影響具有相似點(diǎn)，風(fēng)速越大時(shí)，峰值濃度越低，保持相對(duì)平穩(wěn)后的氯氣濃度也越低。

(3)氣相、液相泄漏模式的致命范圍均隨泄漏孔徑的增大而增大；當(dāng)泄漏孔徑達(dá)到10mm時(shí)，液相泄漏致命范圍沿Z軸擴(kuò)散大幅度增加。

(4)本文對(duì)液氯槽罐車不同泄漏模式進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的不同條件下氣相、液相空間氯氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，可對(duì)危化品道路運(yùn)輸應(yīng)急救援提供依據(jù)，減小毒氣擴(kuò)散的危害。