可噴射水幕的水馬裝置設(shè)計(jì)及參數(shù)分析

田震 薛君 唐春來 毛新

(1.華南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程研究所 廣州 510641； 2.廣東長大道路養(yǎng)護(hù)有限公司 廣州 510620)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國危險貨物道路運(yùn)輸企業(yè)有12 525家，37萬余運(yùn)輸車輛，運(yùn)輸總量超過10億t[1]。與此同時，危險化學(xué)品道路運(yùn)輸事故也呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，其中?；返缆愤\(yùn)輸泄漏事故發(fā)生概率最高，占事故總數(shù)的52.9%。危險化學(xué)品道路運(yùn)輸泄漏事故突發(fā)性強(qiáng)，對現(xiàn)場揮發(fā)的有毒氣體或可燃?xì)怏w難以快速采取控制措施，容易導(dǎo)致交通癱瘓，給人們的生命與財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅。

水幕是一種公認(rèn)的能有效控制氣體擴(kuò)散的安全技術(shù)方法，可安全、高效、快捷地阻隔氣體向敏感地帶擴(kuò)散。國外對水幕稀釋重氣云擴(kuò)散研究開展的較早，1983年，HESKESTAD G等[1]最早通過實(shí)驗(yàn)研究證明了水幕可以有效地稀釋LNG氣云擴(kuò)散。HANSEN O R等[2]和MORSE T L等[3]對水幕稀釋和阻隔氣體擴(kuò)散的機(jī)理做了初步研究。2010年，RANA M A等[4]開展了多次LNG 泄漏現(xiàn)場試驗(yàn)，首次探索了不同形式水幕在減小LNG 氣體危險區(qū)域的作用及機(jī)制。2016年，QI Min等[5]研究了水幕稀釋效率的影響因素。我國在水幕防護(hù)方面的研究起步較晚，2010年，張洪雪等[6]首次在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行水幕阻擋二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)，證明了水幕能降低下風(fēng)向重氣云的體積分?jǐn)?shù)。2016年，孫鋮等[7]通過敞開空間水幕稀釋阻擋CO2擴(kuò)散試驗(yàn)，研究泄漏源高度、水幕流量及泄漏流量等因素，提出了無量綱準(zhǔn)數(shù)的概念。

在?；返缆愤\(yùn)輸泄漏事故發(fā)生時，如何實(shí)現(xiàn)道路分道隔離，同時阻隔稀釋可燃?xì)怏w？本文研究了一種恒壓噴射水幕的?；沸孤?yīng)急處置用水馬，可為道路封閉決策或分道隔離提供技術(shù)參考。

1 可噴射水幕的水馬裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水馬的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要由儲液瓶、儲氣瓶、減壓閥、放氣閥、單向閥、安全閥、減壓閥、噴頭等構(gòu)件組成。

1.2 工作原理

水馬工作原理如圖2所示，在水馬內(nèi)腔設(shè)置壓縮氮?dú)鈨馄亢退畠σ浩俊Ｊ褂脮r打開氣瓶啟動閥門，壓縮氮?dú)饨?jīng)減壓閥減壓為低壓氣體通過耐壓軟管進(jìn)入儲液瓶，將儲液瓶中的水壓出，水幕噴頭將流入的水迅速形成水幕，以一定的速度噴出，用于阻隔稀釋氣體。壓力表用于顯示儲氣瓶壓力，當(dāng)氣瓶壓力超過額定壓力時，安全閥開啟泄壓，保護(hù)系統(tǒng)安全。儲液瓶排氣閥用于排出液瓶中的余氣，單向閥用于防止液瓶中的水倒流，影響減壓閥性能。

1-噴頭；2-排氣閥；3-進(jìn)水口；4-虹吸管；5-儲液瓶；6-出水口；7-自動補(bǔ)水閥；8-儲氣瓶；9-耐壓軟管；10-進(jìn)氣組件；11-啟動閥門；12-減壓閥；13-單向閥

圖2 水馬工作原理

1.3 技術(shù)參數(shù)

目前水幕多用于建筑防火分隔和防護(hù)冷卻，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和GB 50084—2017《自動噴水滅火設(shè)計(jì)規(guī)范》中對滅火作用的水幕基本設(shè)計(jì)參數(shù)均有相關(guān)規(guī)定，但對于阻隔稀釋有毒有害氣體的水幕應(yīng)用較少，因此參考規(guī)范確定水馬主要技術(shù)參數(shù)如下。

氣瓶容積：10 L;氣瓶額定壓力：1.4 MPa;噴水強(qiáng)度： 4L/(min·m2);噴射時間：≥10 min(連續(xù)供水時可持續(xù)噴射);儲液瓶容積：80 L;安全閥開啟壓力：1.6 MPa。

2 模型設(shè)置

參照某高速公路發(fā)生的甲醇罐式運(yùn)輸車輛泄漏事故建立物理模型，運(yùn)輸車罐體有效容積:22.5 m3，罐體外形尺寸(直徑×長)為1 960 mm×9 000.3 mm。運(yùn)輸車在雙向六車道的貨車行駛道發(fā)生泄漏，泄漏源位于甲醇運(yùn)輸車儲罐尾部，泄漏口為半徑0.05 m的圓形，與地面的垂直距離為0.7 m，泄漏形式為連續(xù)泄漏。在1號、2號、3號、4號位置距離地面高度1m處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示。

選取計(jì)算域?yàn)?7 m×40 m×24 m(X×Y×Z)的長方體，計(jì)算域網(wǎng)格劃分采用非線性不均勻的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。X軸正方向?yàn)轱L(fēng)向，出口為壓力出口，Y軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?，如圖4所示。泄漏中心坐標(biāo)(1.8 m, 0.7 m, -1.5 m)，4個監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)分別為:①(7.5 m, 1 m, 0)，②(11.25 m, 1 m, 0)，③(15 m, 1 m, 0)，④(18.75 m, 1 m, 0)。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置示意

初始條件：甲醇泄漏10 s后放置水馬開啟水幕，風(fēng)速2 m/s，環(huán)境壓力為常壓，氣溫298K。

基本假設(shè)：①液滴之間不存在相互碰撞；②液滴與氣體之間不存在物理、化學(xué)吸收；③水幕液滴的大小和密度都相同；④液體蒸發(fā)速率恒定。

圖4 物理模型

3 參數(shù)研究

3.1 扇形水幕和錐形水幕對稀釋效率的影響

水幕的性能依賴于水幕自身的特性及外界因素，不同類型的噴頭噴射出來的水幕形狀各不一樣，稀釋機(jī)理也不相同[8-9]。扇形水幕和錐形水幕是目前經(jīng)常使用的兩種噴射水幕。為了將兩種水幕對氣云擴(kuò)散的阻擋稀釋效果進(jìn)行對比，對水幕稀釋阻擋泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬研究，在相同供水壓力下，考察扇形水幕和錐形水幕對稀釋效率的影響。水幕的稀釋阻擋效率

式中，φ1為開啟水幕后氣體的體積分?jǐn)?shù)，φ0為未開啟水幕時氣體的體積分?jǐn)?shù)。

表1為扇形水幕和錐形水幕噴頭在相同供水壓力下的參數(shù)及稀釋效率對比，可以看出在相同供水壓力下，錐形水幕較扇形水幕流量小、液滴直徑小，扇形水幕流量約是錐形水幕流量的兩倍；4個監(jiān)測點(diǎn)處扇形水幕稀釋效率高于錐形水幕，扇形水幕的阻隔稀釋效果優(yōu)于錐形水幕。

表1 扇形水幕與錐形水幕參數(shù)及稀釋效率對比

分析認(rèn)為兩種類型水幕阻隔稀釋原理不同：扇形水幕主要起阻隔作用，扇形水幕液滴直徑較大且連續(xù)性強(qiáng)，水幕擴(kuò)展角較大，可以形成一道屏障有效地阻擋甲醇?xì)庠葡蚝髷U(kuò)散，同時液滴本身的機(jī)械作用會帶動氣體向上、向下或向側(cè)方擴(kuò)散，從而達(dá)到抑制氣體擴(kuò)散的作用。錐形水幕主要起空氣卷吸作用，錐形水幕液滴直徑較小空氣卷吸量大，液滴所具有的動量會傳遞給與水幕相連的環(huán)境空氣，當(dāng)泄漏氣體靠近水幕時，水幕形成的卷吸空氣對泄漏氣體進(jìn)行混合和稀釋，從而降低甲醇?xì)怏w的濃度。

通過以上的分析表明，錐形水幕和扇形水幕都有效阻擋了氣云擴(kuò)散，扇形水幕在氣云的阻隔稀釋效果上優(yōu)于錐形水幕，但兩者的稀釋效率差別僅約3%，而錐形水幕噴頭具有耗水量小、液滴直徑小等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮選用錐形水幕噴頭。

3.2 供水壓力對稀釋效率的影響研究

供水壓力是影響水幕稀釋阻擋效率的重要因素[10]，為了分析噴嘴供水壓力對稀釋效率的影響，測試了在不同供水壓力下水幕的稀釋效率。圖5所示為無水幕以及水幕供水壓力分別為0.1，0.2，0.3 MPa時各監(jiān)測點(diǎn)甲醇體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化圖。

(a)監(jiān)測點(diǎn)1

(b)監(jiān)測點(diǎn)2

(c)監(jiān)測點(diǎn)3

(d)監(jiān)測點(diǎn)4

由圖5可知：開啟水幕后，下風(fēng)向氣云濃度明顯下降，這也證明了水幕可以有效阻隔氣云擴(kuò)散，水幕作為障礙物，當(dāng)氣云穿過水幕時會受到兩種阻力，即黏性阻力和慣性阻力[11]，可以阻礙氣體泄漏后重氣的擴(kuò)散，從而降低水幕下風(fēng)向氣云濃度。

比較可知同一監(jiān)測點(diǎn)供水壓力越大，下風(fēng)向氣云濃度越低，這是因?yàn)楣┧畨毫υ酱?，液滴動量就越大，液滴向上噴射引起水幕周圍空氣湍流，卷吸的空氣量越多，液滴對氣體的驅(qū)散作用就越強(qiáng)。

進(jìn)一步研究供水壓力分別為0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35 MPa條件下，4個監(jiān)測點(diǎn)稀釋效率的變化如圖6所示。稀釋效率隨供水壓力的增大而增大，呈現(xiàn)非線性變化的關(guān)系。在壓力從0.1 MPa增加至0.3 MPa過程中，稀釋效率快速增加；但在0.3MPa以后，效率增加趨緩。這是因?yàn)楫?dāng)供水壓力增加到一定程度時，液滴對氣體的稀釋程度達(dá)到了飽和。

圖6 不同監(jiān)測點(diǎn)稀釋效率隨供水壓力的變化

綜合考慮噴嘴、功耗的限制及效率等各項(xiàng)因素，選定供水壓力為0.3 MPa。由圖5可知，當(dāng)供水壓力為0.3MPa時，水幕有效阻擋了下風(fēng)向氣云擴(kuò)散，開啟水幕后各監(jiān)測點(diǎn)的甲醇體積分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)低于甲醇爆炸濃度下限5.5%，本事故案例中的高速公路超車道及對向車道可以考慮無需采取封道措施。

3.3 噴嘴安裝角度對稀釋效率的影響研究

噴嘴安裝角度決定了霧滴噴出后的運(yùn)動方向，進(jìn)而影響到氣液相對速度，液滴與氣流相互作用過程中，在卷吸和氣液兩相剪切作用下二者充分混合，達(dá)到降低氣體濃度的效果。噴嘴傾斜安裝能夠很大程度上縮減水幕與擴(kuò)散源的距離，但是同時改變了水幕的形態(tài)，可能導(dǎo)致其稀釋效果下降。

在噴嘴規(guī)格和安裝位置確定情況下，分別對0°，15°，30°，45°，60° 5種噴嘴安裝角度下的稀釋效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 稀釋效率隨噴嘴安裝角度的變化

結(jié)果表明：稀釋效率隨著噴嘴安裝角度的增加而降低，當(dāng)噴嘴安裝角度小于30°時，稀釋效率緩慢降低，當(dāng)噴嘴安裝角度大于30°時，稀釋效率下降明顯。因此噴嘴宜0°安裝，在有角度安裝時不應(yīng)超過30°。

4 結(jié)論

(1)針對危化品道路運(yùn)輸泄漏事故具有不確定性，突發(fā)性強(qiáng)，現(xiàn)場難以快速采取有效控制措施等問題，設(shè)計(jì)了一種可以恒壓噴射水幕的應(yīng)急處置用水馬，可有效分道隔離，阻隔稀釋可燃?xì)怏w。

(2)在相同供水壓力下，扇形水幕對氣云擴(kuò)散的阻擋效果略比錐形水幕好，而錐形水幕的液滴粒徑及耗水量要小的多。綜合考慮水馬噴頭類型選擇錐形水幕噴頭。

(3)當(dāng)供水壓力增加到0.3 MPa時，液滴對氣體的稀釋程度達(dá)到了飽和，繼續(xù)增加供水壓力，稀釋效率增加趨緩，因此供水壓力設(shè)定在0.3 MPa時較合理；稀釋效率隨著噴嘴安裝角度的增加而降低，因此噴嘴宜0°安裝，在有角度安裝時不應(yīng)超過30°。

(4)在實(shí)際應(yīng)急處置中還需要考慮水馬數(shù)量、水馬與泄漏源距離、廢液收集等因素。