氯气泄漏扩散影响因素的数值模拟研究

氯气泄漏扩散影响因素的数值模拟研究

何友龙

(江西省公安消防总队)

摘要：基于FLUENT的物质传输模型建立氯气泄漏扩散模型，针对不同泄漏速率、外界风速、障碍物类型等对氯气泄漏扩散进行数值模拟。结果表明，泄漏速率较大时，重气效应明显增大，下风向形成的高浓度区增大；外界风速对重气扩散浓度和扩散危险性区域有很大影响，风速较大时，重气云在下风向的扩散速率增大，在水平侧风向的扩散速率减小，在泄漏源和障碍物附近的停留时间减少，形成的危险区域较小；不同的地表条件是影响重气扩散的重要因素。

关键词：障碍物氯气扩散数值模拟泄漏速率风速

化工生产、运输、储存和使用过程中涉及各种类型的易燃易爆、有毒有害的危险物质，一旦发生泄漏事故，将会造成严重的经济损失和恶劣的社会影响，同时对现场消防官兵的人身安全也会造成威胁。在实际发生的重气泄漏扩散事故中，泄漏气体往往沿地表扩散，因而易受地表状况(如障碍物)的影响，此时的扩散过程较复杂，模型预测与实际状态有较大偏差，这对复杂地形下大气环境的准确预测带来了很大的困难。CFD模型可用于任何泄漏扩散场景、任何地形和气象条件，能够较为准确地描述重气扩散的物理过程。笔者利用Fluent建立氯气泄漏扩散模型，针对不同泄漏速率、风速和障碍物类型进行模拟。

一、氯气扩散原理描述

(一)扩散过程基本原理

重气在边界层中的传送和扩散过程都是通过湍流输送来实现的。由于低层大气中的风速比声速小得多，可以把空气中质点的平均运动看作不可压缩流体的运动，用Navier-Stokes方程描述，见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：ui为(x，y，z)三个坐标方向的速度，m/s；gi为重力加速度，m2/s；ρ为混合气体密度，kg/m3；p为绝对压力，Pa；μt为流体湍流粘度，kg/(m·s)；u′为脉动速度，m/s。

(二)湍流模型原理

用湍流模型来封闭以上方程组。标准κ-ε模型适合完全湍流的流动过程模拟，此模型假设流体的湍流粘度μt与湍动能κ和湍流耗散率ε有如下关系。

(3)

式中：cμ为经验常数。κ和ε分别可以从式(4)、(5)得到。

(4)

(5)

二、氯气扩散CFD模型设定

(一)基本假设

由于障碍物对氯气泄漏扩散的影响较为复杂，为简化分析，作如下假设：

(1)气体为亚音速流动，且泄漏速率恒定；

(2)气体在扩散中不发生化学反应和相变反应；

(3)风向为水平方向且不随时间、地点和高度变化；

(4)不考虑气体和环境之间的热量交换。

(二)初始条件

计算区域为长方体，假设整个扩散过程中风向保持不变，则重气的扩散是关于xz面对称的，因此只需考虑一半的计算区域，从而可以减少模拟时间。选取计算区域为600m×75m×50m，将泄漏源假定为一个12.4m×12.4m×13m的长方体，坐标为(0，0，0)，将大小为9m×4.5m×9m的立方体障碍物布置在距泄漏源下风向50m处，如图1所示。

对流场区域进行网格划分时采用非线性不均匀网格。采用非定常的分离隐式算法，标准κ-ε双方程湍流模型，选用有限体积法对控制方程进行离散，速度压力用SIMPLE法耦合，在时间方向上用二阶隐式格式离散。

图1　泄漏扩散模型示意图

影响氯气扩散的因素主要包括泄漏源(形态、位置、泄漏气体密度等)、气象条件(风向风速、湿度、大气稳定度等)以及地表情况，笔者重点研究泄漏速率、大气风速和不同障碍物类型对氯气扩散的影响。

三、研究结果与分析

(一)泄漏速率的影响

选取的是魏利军博士论文第七章中的初始数据作为本次模拟的基本计算条件。分别选取3、6m/s的泄漏速率进行对比。

图2为泄漏时间10、40、90、150s时对称面上泄漏物质的质量分布。从图中可以看出，泄漏速率影响气体的初始动量，泄漏速率大，形成的初始气云高度较高，10s时气体受大气风速和重力作用开始向地面沉降，泄漏速率大时，重力沉降作用明显；泄漏气体到达障碍物前，不同泄漏速率其扩散方式相同，但是相同时间内泄漏速率较大时，其下风向形成的高浓度区较大，这是因为在较高泄漏速率的连续释放条件下，相同时间释放气体的总量更大，因此被大气风速的平流输运作用带向更远的地方；障碍物的存在改变了大气流动，气体在障碍物迎风面开始爬升，随着扩散进行气云前端逐渐越过障碍物。比较可知，泄漏速率大时，下风向气体高浓度区的面积较大，同时，由于纵向和横向涡旋的共同作用，会在障碍物背面形成空腔区。

图2　不同时刻对称面上的氯气分布

(二)大气风速的影响

为了研究不同大气风速对氯气扩散过程的影响，分别选取5、8m/s的风速作为研究对象。

图3为8、20、35、50s时对称面上的氯气分布。从图中可以看出，风速增大时，气云向下风向扩散速度加快，且高浓度区也以较快的速度减小。从图中可知，扩散初期，风速对初始云团的形状影响较大，风速较大时，释放云团呈锲形扩散，不仅底部气云在重力扩展作用下运动较快，而且顶部气云靠高风速作用迅速向下风向扩散；风速大时气云更容易越过障碍物，而且气云的高浓度区要远离障碍物，主要因为风速越大，遇到障碍物后反弹回来的气云速度越大，因此远离障碍物处更容易形成高浓度区；相同时间内，风速大时气云的扩散距离大，而且高浓度区主要集中在障碍物的背风面，同时由于大风速加剧了大气的湍流作用，气云被空气稀释得更快，更容易进入被动扩散阶段；50s时，高风速下障碍物背面的气体浓度较低，这主要是由于在高风速条件下，障碍物对风场的影响作用更大，从而使障碍物背面形成的涡旋作用更明显，导致气体长时间聚集，不易扩散。

图3　不同时刻对称面上的氯气分布

(三)障碍物的影响

为了研究不同地形条件对氯气扩散的影响，考虑采用绿化带作为障碍物，研究其对氯气的阻隔作用。具体模型如图4所示。氯气泄漏口位于地面上方40cm处，简化为0.1m×0.1m×0.1m的立方体，泄漏速度分别取为0.01、0.05、0.1kg/s；绿化带(作墙体处理，未考虑空隙率和吸附作用)位于泄漏口正下风向1.5m，大气风向垂直于绿化带，分别取为1、1.5、2m/s)；外部矩形计算区域为30m×8m×4m。ABCD面为风场入口，CDEF面、CBGF面、ADEH面和EFGH面为自由流。下风向中心线设有3个监测点，分别距离绿化带5、10、15m。取氯气的泄漏速度为0.05kg/s，外界风速为1.5m/s，绿化带高度为1.2m，距离泄漏源1.5m，泄漏时间为120s。

从图5可以看出，绿化带阻碍了氯气在水平方向的传输，这是由于存在绿化带时氯气扩散速度较慢，易发生积聚，从而降低了氯气的传输速度；在相同监测点处，无绿化带时氯气在水平方向的浓度值和浓度变化梯度都比较大，绿化带不仅可以降低氯气的浓度值，还可以给人员提供宝贵的疏散时间，有利于应急救援的实施。

图4　模型示意图　　　　　　　　　　　图5　各监测点的氯气质量分数变化

图6　不同时刻对称面上氯气分布

图6为泄漏时间6、12、30s时对称面上氯气分布。从图中可以看出，由于绿化带的存在，加大了空气湍流，加速了气云扩散，使得绿化带下风向气体高浓度区的面积变小。气云经过绿化带后，在纵向和横向涡的共同作用下，绿化带后形成空腔区，导致气体大量积聚在此处不能扩散，形成高浓度区。因此，当发生有毒有害气体泄漏扩散后，应将人员尽快疏散到障碍物以外的安全距离，以防高浓度气体带来的危险性。

四、研究结论

研究了障碍物条件下不同泄漏速率、外界风速、障碍物类型对氯气泄漏扩散的影响，得到以下结论：

(一)连续泄漏的泄漏速率大小对氯气扩散有较大影响。泄漏速率较大时，重气效应明显增大，下风向形成的高浓度区增大，形成的危险区域较大；

(二)大气风速对氯气扩散浓度和扩散危险性区域有很大影响。风速较大时，氯气云在下风向的扩散速率增大，在水平侧风向的扩散速率减小，在泄漏源和障碍物附近的停留时间减小，形成的危险区域较小；

(三)不同的地表条件是影响氯气扩散的重要因素。绿化带可以阻碍气云扩散，为人员疏散和应急救援提供时间。氯气泄漏事故现场条件复杂多变，要想成功处置并顺利开展救援战斗行动，除了要以理论计算结果作为参考，还需要现场消防指挥员灵活、正确地运用各类技战术措施。随着相关研究的不断深入，消防官兵个人防护装备建设的不断加强，消防指战员素质水平的不断提高，氯气泄漏事故处置的难题必将逐步得到有效解决。

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