喷射水幕对LNG蒸气扩散影响的CFD模拟

孙标 郭开华

中山大学工学院

喷射水幕对LNG蒸气扩散影响的CFD模拟

孙标 郭开华

中山大学工学院

在液化天然气（LNG）站场内设置喷射水幕是安全隔离、控制LNG泄漏后蒸汽云扩散和减缓事故后果的重要措施之一，然而目前对各类型水幕的减缓效果进行数值分析的成果鲜见。为此，利用计算流体力学（CFD）模型以及事故场景建模和动态模拟的方法，分别对扇形和锥形喷射水幕的下风向蒸气云扩散的穿透过程和阻隔性能进行设置模拟和参数分析，研究了不同水流量、水幕与扩散源间距等参数对减缓性能的影响情况。结果表明：①合理设置水幕能够将扩散安全距离减小50%以上，危害面积减小60%以上；②在同样的水幕喷射压力和喷射流量下，扇形水幕的阻碍效果优于锥形水幕；③提高喷射压力、增加水幕高度和宽度、合理设置水幕和泄漏源间距，均有利于降低蒸气云扩散距离，有效增强被保护设施的安全性。

喷射水幕 计算流体力学 LNG 蒸气云扩散 安全距离 减缓措施

LNG常温常压下沸点为－161.5℃ 泄漏初期，形成的蒸气云团密度约为空气密度的1.5倍［1］，即“重气”。国内外关于重气云团扩散行为的研究较多，研究方法分为实验研究和数学模型研究［2］，一般认为LNG蒸气云团扩散依据云团密度与空气密度差异而逐渐变小，分为3个特征阶段［3－4］：重力沉降、稳定分层和向正浮性气体扩散转变。常用的数学模型中，积分模型和计算流体力学（CFD）模型应用较广［2，5］，积分模型可作为工程应用模型确定最远安全距离和最大危害范围。如果扩散场景地形复杂，存在障碍物，或者存在危害减缓措施时（如积液池、喷射水幕等），则需要使用CFD模型。

关于LNG泄漏危害减缓措施的研究，国外已经做过一些实验研究［6－9］，对于数值模拟的研究比较缺乏，国内对于这方面的研究则更少。喷射水幕技术比较经济，实现比较容易，使用比较方便，被认为是处理LNG泄漏最经济、最有效和最具前景的应用技术。本文以CFD商业软件FLUENT为计算平台，研究喷射水幕作为减缓措施对LNG蒸气云扩散的影响，对喷射水幕的设计、布置提供参考。

1 水幕特征参数分析

在LNG场站消防系统中，经常会用到两种喷射水幕，即扇形水幕（Flat Fan Spray Water Curtain）和锥形水幕（Cone Spray Water Curtain）［8，10］（如图1）。对于扇形喷射水幕的形成，工业中经常采用如图1－a的装置，将高压水柱喷射到金属挡板上，水柱沿挡板上行，呈扇形或者半圆形展开，一般扇形水幕为可移动式水幕；锥形水幕则是喷头由下向上喷出形成，呈一个倒立的锥形，一般情况下需要数个喷头并排一起工作。

图1 扇形水幕和锥形水幕实物图［8，10］

当发生LNG蒸气云扩散时，水幕近似于一扇墙壁，一方面对风速分布有影响；另一方面，由于水幕并非致密的墙壁，高压水通过喷头喷射出来，形成细小雾状液滴，直径为580～1 450μm 因此喷射水幕可以看作LNG蒸气云穿透多孔介质。

水幕的尺寸大小与流量有关，而流量与压力有关，压力也会影响水幕中液滴直径的大小，表达式如下［11－12］：

式中q为流量，m3／min；p为压力，k Pa；k为流量—压力系数，与管径大小有关；D1和D2分别对应压力p1和p2时的液滴直径。

以直径0.050 8 m（2 in）的管道为例，流量和水滴直径随压力的变化关系，如图2所示。

图2 流量与液滴直径随压力的变化关系图［11－12］

表1［11－12］显示了两种水幕在相同压力和管径条件下，水幕的流量、液滴直径以及水幕尺寸的对比，可以看出锥形水幕较扇形水幕流量少、液滴直径小，并且水幕高度小，约两个锥形水幕的流量等于一个扇形水幕的流量。为了将两种水幕对LNG蒸气云扩散的阻挡效果进行对比，可以将多个同时作用的锥形水幕近似看作矩形水幕，相邻锥形水幕的重叠区域为自身尺寸的一半。

表1 锥形水幕与扇形水幕参数对比表

水幕作为障碍物能够对LNG泄漏后的重气扩散产生阻碍作用，由于水幕沿径向或者竖直高度上的孔隙率（Void Fraction）不同，当扩散气体穿过水幕时，阻力系数因为孔隙率的不同而不同。当气体穿过水幕时，主要受到两种阻力，黏性阻力（Viscous Resistance）与惯性阻力（Inertial Resistance笔者采用Ergun方程 对上述两个阻力系数进行求解，表达式如下：

式中C1、C2分别为黏性阻力系数和惯性阻力系数，ε为孔隙率，Dp为平均水滴直径，m。水幕的孔隙率沿半径方向不是均匀的，笔者在处理孔隙率（ε）时，做了3点假设：①假设扇形水幕中心点处和锥形水幕的底部孔隙率为0，阻力系数无穷大，无气体穿过水幕；②假设在扇形水幕边缘处和锥形水幕顶部孔隙率为1（即阻力系数为0）；③假设水幕的孔隙率沿径向（扇形水幕）或者竖直高度（锥形水幕）呈线性关系。

2 计算流体力学模拟

笔者假设在积液池附近设有水幕，一旦发生LNG泄漏，水幕就会喷射生成，假设积液池为正方形，长度为2 m，泄漏场景设计为：环境风速2 m／s，环境温度25℃，大气稳定度F级。

对比相同压力、相同流量下的扇形水幕与矩形水幕，根据表1中两种水幕的压力和流量，两个锥形水幕的流量与一个扇形水幕的流量近似相等，并可以近似地看成一个矩形水幕。对于上述泄漏场景下的扩散情形，分别采用扇形水幕和矩形水幕进行阻隔气体，笔者对两种水幕进行CFD模拟计算，计算域和网格划分如图3所示。由于计算域为对称区域，所以为了节省计算资源，缩短计算时间，求解时仅对计算区域的一半进行计算［14］。

在设定边界条件时，计算域的上风向边界定义为风速入口，下风向边界定义为压力出口，侧风向边界定义为0梯度边界，即在该边界上速度、浓度等物理量的梯度均为0，以消除侧边界对计算准确度的影响。另外，将水幕区域定义为多孔介质区域，其中惯性阻力系数和黏性阻力系数用式（2）进行描述，在CFD计算时，利用UDF（用户自定义函数）进行定义。

笔者CFD计算时采用的控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和黏度方程，为了计算LNG蒸气扩散的下风向距离，还需要定义组分守恒方程。

根据CFD模型计算的一般步骤，在做瞬态计算之前，首先应求解稳态的速度场［14］，计算结果如图4所示，在水幕的前后均有涡旋生成，水幕的上风向侧底部，有一个尺寸较小的涡旋，在水幕的下风向测，可以很清晰的观察到，无论在竖直方向上还是水平方向上，均有涡旋生成，并且尺寸较大，竖直方向上的涡旋会将穿过水幕后的气体向上卷吸，而水平方向上的两侧涡旋，能够将穿过水幕的气体向中心线处收拢，对LNG蒸气云团扩散产生较大影响。

图3 计算域和网格划分图

图4 水幕影响下的速度场分布图

将扇形水幕、矩形水幕和无水幕3种情形进行对比（图5），在相同的泄漏条件和大气条件下，LNG蒸气云扩散的安全距离（体积浓度为2.5%的最远扩散距离［15］）分别为13.2 m（扇形水幕）和32.0 m（矩形水幕），与无水幕条件下的气体扩散距离相比，扇形水幕将安全距离减小了83.9%，矩形水幕将安全距离减小了61.0%，就体积浓度2.5%的影响范围而言，扇形水幕将影响范围减小了78.4%，而矩形水幕减小了67.4%，在相同压力、相同流量条件下，扇形水幕对LNG扩散气体的阻挡效果优于矩形水幕。

图5 等体积浓度面对应的下风向扩散距离图

以稳态速度场为初始条件，打开泄漏源，开始做瞬态计算，扩散云团与时间的依赖关系见图6。图6中所示为体积浓度2.5%的等浓度面，t＝0时，扩散开始，并保持LNG液体在积液池内蒸发速率恒定［0.12 kg／（m2·s）］。可以观察到，大约t＝20 s时，扩散气体已经到达水幕位置，并开始穿越水幕，由于LNG扩散气体的重气效应，侧风向尺寸较大，而竖直高度较小，同时，水幕的阻力系数沿径向变化，距离中心点越远，阻力系数越小，所以扩散气体在穿透水幕时，先从水幕的边缘处开始，然后从顶部开始，逐渐向水幕的喷射中心点处靠拢，随着时间的延长（大约t＝50 s时），水幕场景下的扩散到达稳态，并保持云团尺寸不变（该处云团尺寸指体积浓度为2.5%的等浓度面），下风向扩散距离13.2 m，侧风向扩散距离20.0 m。

下面对扇形水幕的参数进行研究，包括喷水量和水幕和扩散源之间的间隔，这二者是影响水幕阻挡效果的主要因素。图7显示了不同水流量下，水幕对气体扩散的影响，在相同的大气条件下，水流量越大，形成的水幕尺寸也就越大。当扇形水幕流量为1.32 m3／min，压力1 035 kPa时，水幕高度为11.4 m，宽度45.6 m，LNG蒸发气体下风向扩散的安全距离为8.3 m。

图6 LNG蒸发气体穿过水幕瞬态模拟图

图7 喷水量对扇形水幕的影响示意图

水幕与扩散源之间的距离也会影响扩散范围，图8显示了间隔距离分别为2 m和5 m条件下气体扩散的情况，从模拟结果可以看出，并不是水幕距离扩散源越近，水幕的阻碍效果越好。当间隔距离为2 m时，蒸气云侧风向扩散距离为22 m，下风向扩散距离为15.2 m；当水幕与扩散源间隔距离为5 m时，下风向与侧风向的扩散距离分别为9.4 m与16.2 m，距离增加了3 m，而安全距离缩小了38.12%。这主要是因为扩散气体在扩散源与水幕之间已经被大气湍流稀释，间隔增大，则扩散气体浓度降低程度越大，间隔2 m的水幕上风向表面平均体积浓度为6.68%，而间隔5 m的水幕表面平均体积浓度为2.86%。

图8 间隔距离对气体扩散的影响示意图

3 结论

1）水幕的存在，一方面由于其自身的多孔效应，会增加扩散气体的穿透阻力，将扩散气体主要聚集在扩散源与水幕之间；另一方面，水幕也会对下风向的风速场分布产生影响，在下风向水平面与竖直面均会产生涡旋，使得扩散气体向涡旋中心收拢。在相同压力、相同流量条件下，扇形水幕和矩形水幕对LNG蒸气云扩散的阻挡效果的对比，结果为：扇形水幕将安全距离减小了83.9%，矩形水幕将安全距离减小了61.0%；就体积浓度2.5%的影响范围而言，扇形水幕将影响范围减小了78.4%，而矩形水幕减小了67.4%，扇形水幕对LNG扩散气体的阻挡效果比矩形水幕的效果好。

2）LNG场站在设计水幕时，应当考虑的因素包括：水流量和水幕与扩散源的间距等因素，一般情况下，为了降低危害范围，增加水流量，能使水幕高度和宽度增加，减小LNG蒸气云扩散的危害范围；适当增加水幕与扩散源的间距，可以减小扩散气体的危害范围。

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CFD simulation of water spray curtain application in dispersing liquefied natural gas vapor clouds

Sun Biao，Guo Kaihua
（School of Engineering，Sun Yat－Sen University，Guangzhou，Guangdong 510006，China）

In an LNG terminal，water spray curtain，as one of the most important mitigation methods，is applied to eliminate the hazard of LNG vapor cloud dispersion for safety concern.However，little attention has ever been paid to numerical studies on such hazard－eliminating effects of different types of water spray curtain.In this paper，Computational Fluid Dynamics（CFD）was applied to establish time－dependent models of different accident scenarios，including the LNG vapor cloud penetrating process and curtain blocking effects of cone curtain and flat fan curtain.Parameters of water flow rate and spacing distance between the curtain and dispersion source were investigated.The results show that a.reasonable layout of spray water curtain can reduce the dispersion exclusive distance by more than 50%and hazard area by more than 60%；b.upon the same water spray pressure and flow volume，the flat fan curtain works better than the cone one；and c.through increasing the water spray pressure and the size of water curtain，and setting a proper distance between dispersion source and curtain，the hazard affecting the area by the LNG vapor cloud dispersion can be decreased.This study provides theoretical basis and reference for the water spray curtain design in an LNG terminal or an LNG plant.

water spray curtain，CFD，LNG，vapor dispersion，exclusive distance，mitigation methods

孙标等.喷射水幕对LNG蒸气扩散影响的CFD模拟.天然气工业，2013，33（8）：130－134.

10.3787／j.issn.1000－0976.2013.08.023

NATUR.GAS IND.VOLUME 33，ISSUE 8，pp.130－134，8／25／2013.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

中山大学－BP液化天然气中心资助项目（编号：99103－9390001），广东省教育厅液化天然气与低温技术重点实验室资助项目（编号：39000－3211101）。

孙标，1984年生，博士；主要从事LNG蒸气云扩散以及火灾特性方面的研究工作。地址：（510006）广东省广州市中山大学工学院BP液化天然气教育培训与研究中心。E－mail：sunbiao8411＠163.com

郭开华，中山大学－BP液化天然气教育培训与研究中心教授。E－mail：guokaih＠mail.sysu.edu.cn

（修改回稿日期 2013－06－25 编辑 赵 勤）