苯罐泄漏的CFD数值模拟

李 洁北京市劳动保护科学研究所



苯罐泄漏的CFD数值模拟

李 洁
北京市劳动保护科学研究所

【摘 要】苯是一种石油化工基本原料，可燃，有毒，致癌。一旦发生泄漏，后果十分严重。本文分别采用Fluent和DEGADIS模型模拟苯的泄漏扩散。研究结果可为泄漏事故的后果和风险评估的提供一定的参考。

【关键词】Fluent；DEGADIS；泄漏；数值模拟

石化企业生产、储存和输送着各种类型的危险物质如易燃、易爆、有毒、有害及有腐蚀性气体或液体等。通过高压容器、储罐、输送工艺管线的破裂等事故致使这些危险物质意外泄漏或释放，泄漏出来的物质可能会发生燃烧、爆炸事故或者对周围环境造成严重的污染，引起居民群体中毒甚至死亡。当前污染物扩散及其模拟研究大多针对重大事故。

事实上除了事故性的污染物泄漏扩散外，更常见的是污染物的中低度泄漏扩散，如泵、储罐和管线等工艺设备的破裂而引起污染物短时间泄漏。尽管在发生泄漏后能通过连锁等控制系统迅速控制泄漏事故而终止污染物泄漏过程，仍然会有一部分物料泄漏后向周围扩散并污染环境。

本文运用Fluent和DEGADIS模型模拟苯罐泄漏扩散，并作对比分析，研究结果可为泄漏事故的后果和风险评估的提供一定的参考。

1 模型简介及国内外应用展望

1.1模型简介

1.1.1DEGADIS模型

DEGADIS模型由Arkansas 大学的Tom Spicer和Jerry Havens 最初开发，并被美国EPA以及气体研究所等单位资助和认可。

适用范围简介：

（1）瞬时（即发生在几秒钟）。

（2）连续地面（即持续几分钟与很少或没有变化在发射率）。

（3）连续喷射释放。

局限性简介：

使用该模型仅限于致密气体释放或液体泄漏，蒸发到密集的气体。模型的适用性取决于计算理查森数释放。DEGADIS 包括计算工具菜单下计算了理查森数。对于一个连续致密气体释放，理查森数大于32。对于一个密集的气体释放持久不超过几秒钟，大于700。

DEGADIS和喷射烟羽模型均采用平面大气流场没有障碍物，如建筑物或树木。也没有考虑到模型采取倾斜的地形。使用该模型仅限于条件扩散的高度远远大于气体层的表面粗糙度周围地区。

喷射模型是严格对垂直释放。没有水平喷射释放速度纳入模型。如果喷射释放不垂直于地面，结果会不准确。

1.1.2 Fluent模型

CFD软件（Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学，简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、最流行的CFD软件，Fluent对流动问题的模拟得到了最广泛的验证。

FLUENT的材料数据库包含了污染物和空气混合物物理化学性质的预先定义，节省了构建气体输运混合材料的时间。

FLUENT提供强大的UDF（用户自定义子程序）功能，运用这个功能，本文可以实现：模拟大气边界层的平均风速剖面、瑞动能和瑞流耗散率。

1.2国内外应用情况展望

目前FLUENT在环保领域主要用于脱硫、脱硝反应器内部流场、温度场、浓度场的模拟[1-12]，因为模拟结果与实际情况符合性高，已经成为反应器内部设计的关键技术之一，但是Fluent在安评等咨询业务中应用较少。据悉国外某些风险模拟，尤其是重气体风险预测，如LNG泄漏已经提出用FLUENT进行模拟的要求。因此， FLUENT模拟是今后风险模拟的一个重要方向。

2 案例分析

通过两种DEGADIS和FLUENT两种模型对某个苯储罐泄漏模拟，对模拟结果进行对比分析。

2.1情景设定

为更好对比两个模型，力求初始条件一致，进行如下设置。

泄漏情景。

瞬时泄漏，即瞬间形成液池。

泄漏量。

2000kg/min，泄漏时间10min，总泄漏量20t。

气象条件。

温度：30℃。

地表温度：70℃。

稳定度：F。

风速：1.5m/s。

2.2DEGADIS模型模拟及结果

（1） 网格设置。

本次模拟DEGADIS模型设置了40501个网格，如图1。

图1　DEGADIS模型网格设置

（2） 预测结果。

DEGADIS模型预测结果，见表1。

表1　DEGADIS模型预测结果表

从表中可以看出，苯罐泄漏IDLH1范围为321.7m，IDLH2范围为208.9m，不形成LC50浓度范围。

2.3FLUENT模型模拟及结果

2.3.1建模

设定苯储罐直径为28m，高度为17m，选择计算流域的尺寸为1300m×600m×300m。

2.3.2计算区域网格划分

网格质量很大程度上决定了模拟的效果，一般而言，网格越细，模拟效果越好，但会导致计算量的增加。一个好的解决办法是对重要区域的网格进行局部加密。

本文局部加密按照重要程度主要有：包含储罐的围堰内部；包含围堰的更大一点的区域；以及该区域上下风向的区域。

2.3.3边界条件设定

CFD的求解过程，就是将边界线或边界面上的数据外推扩展到计算流域内部的过程。边界面类型和边界条件的设置如果不合适甚至不符合实际，将导致计算不收敛，无法实现准确或精确模拟。因此，设置符合实际物理情况且合适的边界条件是极其重要的。本案例中，需要设定的边界有：风流入口面、计算流域顶面侧面和出口面、储罐外壳和地面。

2.3.4FLUENT条件设置

（1） 风入口面设置。

平均风速剖面选择指数方法计算。由于苯储罐多位于化工区，装置，储罐林立，设定粗糙指数为0.22，梯度风高度300m。

风入口面平均风剖面采用用户自编程序通过UDF接口连接。

（2） 求解模型。选择k-ε模型。

2.3.5FLUENT模拟结果

（1） 风场分布。

从模拟结果看，入口截面风速呈现梯度变化。计算区域风速由于罐区和围堰的存在，近地面风场出现变化流场分布图，如图2、3。

在储罐及围堰周围部分出现大量涡流，导致计算区域原先平稳的流场不再均匀。

涡流最强烈的地方位于围堰内部，也就是泄漏后液池所在区域，对于污染物初期的扩散将产生重大影响。

近地面流场的影响范围较大，一直延续到出口处，也就是距离储罐1000m处，对于污染物的扩散将产生重大影响。

（2） 浓度分布。

FLUENT模型模拟结果表见表2。苯的IDLH1范围为600m，IDLH2范围在围堰内部，LC50范围在围堰内部。苯的浓度分布图，如图4-6。

图2　模拟区域流场分布图（Z=0.5m，m/s）

图3　计算区域的流场分布图（Z=10m，m/s）

图4　计算区域浓度分布图（x=50m；100m；200m；300m；400m；500m；600m；700m；800m；900m和1000m，kmol/m3）

图5　计算区域浓度分布图(Y=0，kmol/m3)

图6　计算区域落地浓度分布图（IDLH1范围，z=0.5m，kmol/m3）

表2　FLUENT模型模拟结果表

2.4结果对比分析

将FLUENT和DEGADIS模型模拟结果进行对比，见表3。

表3　FLUENT和DEGADIS模型模拟结果对比表

表中可以看出，IDLH1的安全范围FLUENT模型的预测结果要大于DEGADIS模型，而IDLH2的安全范围，DEGADIS模型的预测结果要大于FLUENT模型；对于LC50的安全范围，FLUENT模型与DEGADIS模型结果一致，但是FLUENT可以显示面源区域的浓度分布。

原因分析：如前所述，DEGADIS模型模拟均匀风场是有效的，但是由于储罐及围堰的阻挡，导致了储罐周围尤其是储罐后部风场的变化，加强了污染物和空气扰动与混合，IDLH2浓度范围大幅缩小——只限制在围堰内部；而同样由于风场的变化，污染物和空气扰动与混合作用加强，IDLH1浓度范围增加，较DEGADIS模型预测范围增加了约一倍。

3 结论及展望

（1）FLUENT模型可精确模拟有害物质尤其是重气体的泄漏及扩散情况。

（2）FLUENT模型模拟的前期准备工作如建模等工序繁杂，如何进行有效的简化是今后研究的重点之一。

（3）将连续泄漏情景；湿度、地面温度、太阳辐射强度和地形参数等因素考虑进模型，进行最为真实的模拟是今后研究的重点之一。

（4）FLUENT模型的输出较为困难，无法满足安评的需求，因此，应考虑与其他软件的结合以加强后处理工作。

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