有障碍物空间可燃气体扩散规律的数值模拟

薛海强 张增刚 田贯三 王国磊

山东建筑大学热能工程学院

有障碍物空间可燃气体扩散规律的数值模拟

薛海强 张增刚 田贯三 王国磊

山东建筑大学热能工程学院

薛海强等.有障碍物空间可燃气体扩散规律的数值模拟.天然气工业,2010,30(5):119-122.

有限空间内可燃气体泄漏扩散容易引发危险事故,而对于有限空间障碍物存在时气体泄漏扩散规律的研究较少。为此,针对有限空间障碍物对可燃气体泄漏扩散的影响,采用雷诺平均的N-S方程,湍流模型以及无反应多组分输运方程,对障碍物影响下可燃气体泄漏扩散进行了数值模拟,并进一步分析了泄漏位置和障碍物高度对可燃气体泄漏扩散的影响。结果表明:障碍物对可燃气体扩散过程有阻碍作用;障碍物影响下不同位置泄漏扩散形成的浓度场不同,泄漏口与出口异侧,距离障碍物越近,房间内形成的爆炸区域越大;障碍物高度越高,有限空间内形成的爆炸区域越大,增大了危险事故发生的可能性。该模拟结果有助于室内燃气管道安全设计,可为制订室内可燃气体爆炸事故的预防措施提供参考。

有限空间 可燃气体 泄漏扩散 障碍物 数值模拟 泄漏位置 浓度场 爆炸区域

由于可燃气体泄漏扩散引起的爆炸事故时常发生,造成极大的财产损失和人员伤亡,国内外学者对可燃气体泄漏扩散进行了研究,通过开展风洞试验和数值模拟建立了一系列的泄漏扩散模型,得到了各种影响因素下的泄漏扩散规律[1-3]。在障碍物对可燃气体泄漏扩散影响的研究方面,主要集中于大气环境下障碍物对泄漏扩散过程的影响[4-5],对于有限空间障碍物存在时气体泄漏扩散规律的研究较少,而很多爆炸事故都是在有限空间发生的。针对以上情况,本文对障碍物影响下室内可燃气体的泄漏扩散进行数值模拟,模拟结果有助于室内燃气管道安全设计及预防室内可燃气体爆炸事故的发生。

1 模型的建立

1.1 数学模型

笔者研究的是室内有限空间内发生的泄漏,泄漏过程假定为连续泄漏,同时认为其泄漏量为定值。室内可燃气体泄漏扩散可认为是多组分气体相互作用的湍流,泄漏气体与空气形成爆炸性混合物,混合气体各组分之间不发生化学反应,因此采用k—ε湍流模型和无反应多组分输运方程来模拟室内气体湍流泄漏扩散过程,控制方程如下:

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

紊动能(k)方程:

耗散率ε方程:

组分输运方程:

式中:ci为各组分质量浓度;Ri为化学反应的净产生速率,由于各组分不发生化学反应,故此项为0;Si为用户定义而产生物种的速率;为i物种的质量扩散速率,,其中Di,m为组分i在混合物的质量扩散系数,Sct为湍流施密特数。

1.2 物理模型

图1 数值计算物理模型图

数值模拟物理模型见图1,尺寸为1.1×1.3×2.2m。障碍物位于房间中央,假设其尺寸为0.3×0.4×0.5m,风口大小为0.4×0.6m,厨房门高1.5m,考虑厨房门开启一半的情况,宽度取0.3m。泄漏口直径取10mm,A～E均代表泄漏口,其中心坐标为(0,0.65,0.5)、(0,0.65,0.25)、(0,0.45,0.5)、(0,0.25,0.25)、(1.1,0.65,0.5)。家用燃气灶具的额定工作压力为2000Pa,其泄漏源强度[6]为0.00716kg/s,室外风均匀进入室内,速度大小按1m/s计算。

2 数值模拟与分析

笔者在数值计算时,选取液化石油气作为研究气体。由于液化石油气主要成分为C3H8和C4H10,以C3H8和C4H10代替液化石油气进行模拟计算,其爆炸浓度范围为0.0322～0.14(质量分数),模拟区域各点气体浓度处于爆炸浓度范围时形成爆炸区域。可燃气体扩散形成的爆炸区域与泄漏口径和泄漏压力有关,不同泄漏口径和泄漏压力下相同时间形成的爆炸区域不同,本文仅以300s为例进行分析。

可燃气体泄漏扩散一定时间后模拟区域内各点浓度互不相同,本文对垂直方向上距地面0.1m的平面(z=0.1m)爆炸区域进行对比分析。图2、3是泄漏口位于A处泄漏扩散300s后,有、无障碍物时平面z =0.1m的气体爆炸区域。可以看出无障碍物时,泄漏气体在重力作用和外界风速作用下向下运动,在房间局部堆积,形成的爆炸区域较小。而在障碍物存在的情况下,平面z=0.1m的气体爆炸区域比无障碍物时形成的爆炸区域要大,这是由于泄漏出来的液化石油气在初始动量的作用下形成喷射过程,同时由于液化石油气比空气重,扩散过程中受重力作用向下运动,逐渐偏离射流中心。当遇到障碍物时由于其阻碍作用,部分气体会在障碍物附近堆积,随着时间的增加,泄漏气体逐渐增多并沿地面扩散,导致障碍物附近气体浓度大,周围气体浓度小,加大了该区域发生危险事故的可能性。

图2 A点无障碍物时t=300s平面z=0.1m的爆炸浓度区域图

图3 A点有障碍物时t=300s平面z=0.1m的爆炸浓度区域图

图4 E点泄漏t=300s平面z=0.1m的爆炸浓度区域图

图4为泄漏扩散300s后,泄漏口位于 E处存在障碍物时,平面 z=0.1m形成的爆炸区域。通过与图3对比可知,在障碍物存在的情况下,泄漏口位于A、E时,可燃气体在障碍物周围都发生了聚集,但泄漏口位于E处形成的爆炸区域要比泄漏口位于A处形成的爆炸区域小,这是由于 E点与厨房门同侧,距离房间出口较近,泄漏气体在扩散过程中很快到达房间出口,在外界风速的作用下能够及时地排放出去。这说明泄漏高度相同且有障碍物影响下,不同泄漏位置形成的爆炸区域不同,泄漏口与厨房门同侧时形成的爆炸区域较小,与厨房门异侧时形成的爆炸区域较大。

泄漏口位于B、C、D,泄漏扩散300s后,x方向各平面爆炸区域见图5。可以看出B点泄漏时障碍物前侧形成的爆炸区域较大;而D点泄漏时障碍物后侧形成的爆炸区域较大。这是由于B点距离障碍物较近,位置较低,泄漏气体受障碍物的阻碍作用较大,容易使泄漏气体在障碍物附近聚集,而D点距离房间墙壁较近,受障碍物影响较小,大部分泄漏气体会沿着房间内壁进行扩散运动,由于外界风速的影响,导致障碍物后侧气体浓度较大。这说明泄漏口距离障碍物较远时,受障碍物的影响较小;而泄漏口距离障碍物较近时,泄漏气体容易在障碍物附近形成堆积,增大发生危险事故的可能性。

图5 B、C、D点泄漏x方向各平面爆炸区域面积图

障碍物高度对可燃气体扩散过程有重要影响[4],固定障碍物的长度和宽度,改变障碍物的高度得到不同高度下平面z=0.1m爆炸区域随时间的变化曲线(如图6所示)。可以看出,在各个时间障碍物高度为0.5m时形成的爆炸区域比高度为0.4m和0.25m时对应的爆炸区域都大,短时间内即可形成较大的爆炸区域。这说明障碍物高度越高,泄漏的可燃气体越易堆积,发生危险事故的概率越高。虽然不同的障碍物高度得到的爆炸区域不同,但平面 z=0.1m爆炸区域随着时间的增加都是先增大再减小再增大。

图6 不同障碍物高度下爆炸区域随时间的变化曲线图

3 结论

1)有限空间障碍物存在时,重质可燃气体易在障碍物附近堆积,障碍物对可燃气体泄漏扩散有阻碍作用,增大爆炸事故发生的可能性。重质可燃气体在无障碍物空间泄漏扩散时,距泄漏口越远的截面上形成的爆炸区域越大,易在房间墙角处形成堆积,应防止局部爆炸的发生。

2)有障碍物空间不同位置泄漏扩散形成的爆炸区域不同,泄漏口与厨房门异侧形成的爆炸区域比同侧形成的爆炸区域要大;而当泄漏口与厨房门异侧时,泄漏位置越低,距离障碍物越近,房间内形成的爆炸区域越大。

3)有限空间内障碍物高度对可燃气体扩散过程有重要影响,障碍物越高,形成的爆炸区域越大,可燃气体越易堆积,越易发生危险事故。

[1]李又绿,姚安林,李永杰.天然气管道泄漏扩散模型研究[J].天然气工业,2004,24(8):102-104.

[2]张文艳,姚安林,李又绿,等.风力对天然气管道泄漏后扩散过程的影响研究[J].天然气工业,2006,26(12):150-152.

[3]杨昭,赖建波,韩金丽.天然气管道气体泄漏扩散过程研究[J].天然气工业,2007,27(7):97-99.

[4]刘延雷,郑津洋,赵永志,等.障碍物对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟[J].石油化工高等学校学报,2007,20(4):81-84.

[5]孟志鹏,王淑兰,丁信伟.障碍物附近可燃性气体泄漏扩散的三维数值模拟[J].化工装备技术,2007,28(2):74-78.

[6]DONG YU HUA,GAO HUILIN,ZHOU J ING,et al. Mathematical modeling of gas release through holes in pipelines[J].Chemical Engineering Journal,2003,92(1/3):237-241.

(修改回稿日期 2010-03-30 编辑 赵 勤)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE5,pp.123-128,5/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

A double-edged sword of the discarded edible oils:H armful pollutants or resources utilization

Yao Zhilong,Min Enze(Academician of Chinese Academy of Engineering and Sciences)
(Beijing Institute ofPetrochemical Technology,Beijing102617,China)

The discarded edible oils refer to the waste oils and fats without any edible values,including slop oil from restaurants(the so-called hogwash oil,waste restaurant grease,or swill),soapstock,and oily water,etc.Those waste oils contain a great volume of carbon-containing organic matters such as fatty acids,resulting in their dual characters:becoming pollutants to environment or being recycled to be used as chemical materials.The waste oils can be recycled as an alternative oil resource for the important materials of biodiesel,surfactant,fine chemicals and bulk chemicals.On the contrary,those waste oils,if not being carefully dealt with,will become harmful to environment and human beings.Therefore,this paper introduces how harmful the waste oils are and how to recycle those waste oils for chemical production of non-phosphate laundry powder,biodemulsifier,fatty acids,and fatty acid methyl ester (biodiesel).

the discarded edible oils,hogwash oil,harm,resource utilization,non-phosphate laundry powder,biodemulsifier,fatty acid,biodiesel

book=5,ebook=571

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.031

国家自然科学基金“室内燃气泄漏形成可燃浓度场变化规律的研究”(编号:50878122)的部分成果。

薛海强,1984年生,硕士研究生;从事燃气输配及应用的研究工作。地址:(250101)山东省济南市临港开发区凤鸣路山东建筑大学热能工程学院。电话:(0531)86367331,13606374938。E-mail:xuehaiqiang2009@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.032

Yao Zhilong,researcher,was born in1971.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in biobased-chemical utilization technology and petrochemical research and development.

Add:No.19,North Qingyuan Rd.,Daxing District,Huangcun,Beijing102617,P.R.China