氯氣泄漏擴散影響因素的數(shù)值模擬研究

何友龍

(江西省公安消防總隊)

摘要：基于FLUENT的物質傳輸模型建立氯氣泄漏擴散模型，針對不同泄漏速率、外界風速、障礙物類型等對氯氣泄漏擴散進行數(shù)值模擬。結果表明，泄漏速率較大時，重氣效應明顯增大，下風向形成的高濃度區(qū)增大；外界風速對重氣擴散濃度和擴散危險性區(qū)域有很大影響，風速較大時，重氣云在下風向的擴散速率增大，在水平側風向的擴散速率減小，在泄漏源和障礙物附近的停留時間減少，形成的危險區(qū)域較??；不同的地表條件是影響重氣擴散的重要因素。

關鍵詞：障礙物氯氣擴散數(shù)值模擬泄漏速率風速

化工生產(chǎn)、運輸、儲存和使用過程中涉及各種類型的易燃易爆、有毒有害的危險物質，一旦發(fā)生泄漏事故，將會造成嚴重的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響，同時對現(xiàn)場消防官兵的人身安全也會造成威脅。在實際發(fā)生的重氣泄漏擴散事故中，泄漏氣體往往沿地表擴散，因而易受地表狀況(如障礙物)的影響，此時的擴散過程較復雜，模型預測與實際狀態(tài)有較大偏差，這對復雜地形下大氣環(huán)境的準確預測帶來了很大的困難。CFD模型可用于任何泄漏擴散場景、任何地形和氣象條件，能夠較為準確地描述重氣擴散的物理過程。筆者利用Fluent建立氯氣泄漏擴散模型，針對不同泄漏速率、風速和障礙物類型進行模擬。

一、氯氣擴散原理描述

(一)擴散過程基本原理

重氣在邊界層中的傳送和擴散過程都是通過湍流輸送來實現(xiàn)的。由于低層大氣中的風速比聲速小得多，可以把空氣中質點的平均運動看作不可壓縮流體的運動，用Navier-Stokes方程描述，見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：ui為(x，y，z)三個坐標方向的速度，m/s；gi為重力加速度，m2/s；ρ為混合氣體密度，kg/m3；p為絕對壓力，Pa；μt為流體湍流粘度，kg/(m·s)；u′為脈動速度，m/s。

(二)湍流模型原理

用湍流模型來封閉以上方程組。標準κ-ε模型適合完全湍流的流動過程模擬，此模型假設流體的湍流粘度μt與湍動能κ和湍流耗散率ε有如下關系。

(3)

式中：cμ為經(jīng)驗常數(shù)。κ和ε分別可以從式(4)、(5)得到。

(4)

(5)

二、氯氣擴散CFD模型設定

(一)基本假設

由于障礙物對氯氣泄漏擴散的影響較為復雜，為簡化分析，作如下假設：

(1)氣體為亞音速流動，且泄漏速率恒定；

(2)氣體在擴散中不發(fā)生化學反應和相變反應；

(3)風向為水平方向且不隨時間、地點和高度變化；

(4)不考慮氣體和環(huán)境之間的熱量交換。

(二)初始條件

計算區(qū)域為長方體，假設整個擴散過程中風向保持不變，則重氣的擴散是關于xz面對稱的，因此只需考慮一半的計算區(qū)域，從而可以減少模擬時間。選取計算區(qū)域為600m×75m×50m，將泄漏源假定為一個12.4m×12.4m×13m的長方體，坐標為(0，0，0)，將大小為9m×4.5m×9m的立方體障礙物布置在距泄漏源下風向50m處，如圖1所示。

對流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分時采用非線性不均勻網(wǎng)格。采用非定常的分離隱式算法，標準κ-ε雙方程湍流模型，選用有限體積法對控制方程進行離散，速度壓力用SIMPLE法耦合，在時間方向上用二階隱式格式離散。

圖1　泄漏擴散模型示意圖

影響氯氣擴散的因素主要包括泄漏源(形態(tài)、位置、泄漏氣體密度等)、氣象條件(風向風速、濕度、大氣穩(wěn)定度等)以及地表情況，筆者重點研究泄漏速率、大氣風速和不同障礙物類型對氯氣擴散的影響。

三、研究結果與分析

(一)泄漏速率的影響

選取的是魏利軍博士論文第七章中的初始數(shù)據(jù)作為本次模擬的基本計算條件。分別選取3、6m/s的泄漏速率進行對比。

圖2為泄漏時間10、40、90、150s時對稱面上泄漏物質的質量分布。從圖中可以看出，泄漏速率影響氣體的初始動量，泄漏速率大，形成的初始氣云高度較高，10s時氣體受大氣風速和重力作用開始向地面沉降，泄漏速率大時，重力沉降作用明顯；泄漏氣體到達障礙物前，不同泄漏速率其擴散方式相同，但是相同時間內泄漏速率較大時，其下風向形成的高濃度區(qū)較大，這是因為在較高泄漏速率的連續(xù)釋放條件下，相同時間釋放氣體的總量更大，因此被大氣風速的平流輸運作用帶向更遠的地方；障礙物的存在改變了大氣流動，氣體在障礙物迎風面開始爬升，隨著擴散進行氣云前端逐漸越過障礙物。比較可知，泄漏速率大時，下風向氣體高濃度區(qū)的面積較大，同時，由于縱向和橫向渦旋的共同作用，會在障礙物背面形成空腔區(qū)。

圖2　不同時刻對稱面上的氯氣分布

(二)大氣風速的影響

為了研究不同大氣風速對氯氣擴散過程的影響，分別選取5、8m/s的風速作為研究對象。

圖3為8、20、35、50s時對稱面上的氯氣分布。從圖中可以看出，風速增大時，氣云向下風向擴散速度加快，且高濃度區(qū)也以較快的速度減小。從圖中可知，擴散初期，風速對初始云團的形狀影響較大，風速較大時，釋放云團呈鍥形擴散，不僅底部氣云在重力擴展作用下運動較快，而且頂部氣云靠高風速作用迅速向下風向擴散；風速大時氣云更容易越過障礙物，而且氣云的高濃度區(qū)要遠離障礙物，主要因為風速越大，遇到障礙物后反彈回來的氣云速度越大，因此遠離障礙物處更容易形成高濃度區(qū)；相同時間內，風速大時氣云的擴散距離大，而且高濃度區(qū)主要集中在障礙物的背風面，同時由于大風速加劇了大氣的湍流作用，氣云被空氣稀釋得更快，更容易進入被動擴散階段；50s時，高風速下障礙物背面的氣體濃度較低，這主要是由于在高風速條件下，障礙物對風場的影響作用更大，從而使障礙物背面形成的渦旋作用更明顯，導致氣體長時間聚集，不易擴散。

圖3　不同時刻對稱面上的氯氣分布

(三)障礙物的影響

為了研究不同地形條件對氯氣擴散的影響，考慮采用綠化帶作為障礙物，研究其對氯氣的阻隔作用。具體模型如圖4所示。氯氣泄漏口位于地面上方40cm處，簡化為0.1m×0.1m×0.1m的立方體，泄漏速度分別取為0.01、0.05、0.1kg/s；綠化帶(作墻體處理，未考慮空隙率和吸附作用)位于泄漏口正下風向1.5m，大氣風向垂直于綠化帶，分別取為1、1.5、2m/s)；外部矩形計算區(qū)域為30m×8m×4m。ABCD面為風場入口，CDEF面、CBGF面、ADEH面和EFGH面為自由流。下風向中心線設有3個監(jiān)測點，分別距離綠化帶5、10、15m。取氯氣的泄漏速度為0.05kg/s，外界風速為1.5m/s，綠化帶高度為1.2m，距離泄漏源1.5m，泄漏時間為120s。

從圖5可以看出，綠化帶阻礙了氯氣在水平方向的傳輸，這是由于存在綠化帶時氯氣擴散速度較慢，易發(fā)生積聚，從而降低了氯氣的傳輸速度；在相同監(jiān)測點處，無綠化帶時氯氣在水平方向的濃度值和濃度變化梯度都比較大，綠化帶不僅可以降低氯氣的濃度值，還可以給人員提供寶貴的疏散時間，有利于應急救援的實施。

圖4　模型示意圖　　　　　　　　　　　圖5　各監(jiān)測點的氯氣質量分數(shù)變化

圖6　不同時刻對稱面上氯氣分布

圖6為泄漏時間6、12、30s時對稱面上氯氣分布。從圖中可以看出，由于綠化帶的存在，加大了空氣湍流，加速了氣云擴散，使得綠化帶下風向氣體高濃度區(qū)的面積變小。氣云經(jīng)過綠化帶后，在縱向和橫向渦的共同作用下，綠化帶后形成空腔區(qū)，導致氣體大量積聚在此處不能擴散，形成高濃度區(qū)。因此，當發(fā)生有毒有害氣體泄漏擴散后，應將人員盡快疏散到障礙物以外的安全距離，以防高濃度氣體帶來的危險性。

四、研究結論

研究了障礙物條件下不同泄漏速率、外界風速、障礙物類型對氯氣泄漏擴散的影響，得到以下結論：

(一)連續(xù)泄漏的泄漏速率大小對氯氣擴散有較大影響。泄漏速率較大時，重氣效應明顯增大，下風向形成的高濃度區(qū)增大，形成的危險區(qū)域較大；

(二)大氣風速對氯氣擴散濃度和擴散危險性區(qū)域有很大影響。風速較大時，氯氣云在下風向的擴散速率增大，在水平側風向的擴散速率減小，在泄漏源和障礙物附近的停留時間減小，形成的危險區(qū)域較?。?/p>

(三)不同的地表條件是影響氯氣擴散的重要因素。綠化帶可以阻礙氣云擴散，為人員疏散和應急救援提供時間。氯氣泄漏事故現(xiàn)場條件復雜多變，要想成功處置并順利開展救援戰(zhàn)斗行動，除了要以理論計算結果作為參考，還需要現(xiàn)場消防指揮員靈活、正確地運用各類技戰(zhàn)術措施。隨著相關研究的不斷深入，消防官兵個人防護裝備建設的不斷加強，消防指戰(zhàn)員素質水平的不斷提高，氯氣泄漏事故處置的難題必將逐步得到有效解決。

參考文獻

[1]化工勞動保護編輯部.50年中國化工大事故記[J].化工勞動保護，1999，20(11)：403-406.

[2]閆亮.氯氣泄漏后毒害區(qū)域的估算及泄漏事故處置對策探討[J].沈陽航空工業(yè)學院學報，2006，23(3)：70-72.

[3]張軍.山地復雜地形的大氣污染預測模型研究[D].重慶：重慶大學，2005.

[4]黃沿波，梁棟.重氣擴散模型分類方法[J].安全與環(huán)境工程，2008，15(4)：71-76.

[5]雷文章，吳光武.井噴失控可燃性蒸汽云形成數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2008，4(6)：66-69.

[6]胡非.湍流、間歇性與大氣邊界層[M].北京：科學出版社，1995.

[7]孟志鵬，王淑蘭，丁信偉.障礙物附近可燃性氣體泄漏擴散的三維數(shù)值模擬[J].化工裝備技術，2007，28(2)：74-78.

[8]孟志鵬，王淑蘭，丁信偉.可爆性氣體泄漏擴散時均湍流場的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學報，2003，3(3)：25-28.

[9]吳晉湘，牛坤，閆運忠.燃氣連續(xù)性泄漏擴散規(guī)律的研究[J].河北工業(yè)大學學報，2007，36(3)：1-6.

[10]M.E.Davies.The pahaseⅡ trials a data set on the effect of obstructions[J].Journal of Hazardous Materials，1985，11：301-323.

[11]魏利軍.重氣擴散過程的數(shù)值模擬[D].北京：北京化工大學，2000.