隧道内通风及障碍物对甲醇蒸气扩散的影响分析*

陈长坤，王玮玉，史聪灵，刘晅亚

(1. 中南大学 防灾科学与安全技术研究所, 湖南 长沙 410075； 2. 中国安全生产科学研究院 地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室，北京 100012；3. 建筑消防工程技术公安部重点实验室，天津 300381)

0　引言

随着危化品循环的加快，在这个过程中必然存在一定的泄漏、事故隐患。公安部上海消防研究所对我国危化品泄漏事故统计分析[1]显示运输阶段发生泄漏事故比重为77%，泄漏物质中易燃液体占比高达23%。

国内外学者对于有毒有害物质的泄漏扩散的研究已较多。许多学者采用CFD方法对LNG泄漏扩散评价模型实验数据、Burro实验、Thorney Island Trial 026实验以及其他自主设计实验进行了验证性研究，结果表明CFD软件模拟较为符合实验结果[2-5]；潘旭海、武志峰、李晰睿等人在LNG泄漏扩散领域，研究也较为深入，取得许多成果[6-8]；Luketa-Hanlin等人[9-10]对CFD方法在LNG泄漏及蒸气扩散领域的应用进行了探讨；Sklavounos[11]等人研究了低温条件下液氢和液化天然气泄漏及蒸气扩散规律，并说明了CFD软件在蒸气扩散方面研究的可靠性； He[12]等人对受限空间内的蒸汽云的形成进行了研究，并提出了液气转化模型，为实际中低沸点易燃液体的操作和储存提供了理论依据；Bubbico[13]对公路隧道内有毒物质泄漏及蒸汽扩散进行了深入研究，并考虑了通风的因素，进一步完善了受限空间内蒸气扩散理论研究；还有学者对LPG事故、气体扩散动态模型、水幕对重气扩散的影响、汽油蒸气扩散爆炸等进行了研究，并得到有价值的成果[14-17]。这些研究成果对有毒有害物质的泄漏扩散事故的预防与处置都具有重要的指导意义。

以上研究大多为开放空间中有毒有害物质的泄漏扩散，且物质多为气体或液化气体，而对于隧道内低沸点易燃液体的研究涉及较少，因此有必要结合隧道的狭长半封闭空间特点，考虑内部车辆、风速等对易燃液体蒸发扩散规律的影响进行研究，以期为该类泄漏事故的应急处置提供必要的理论支持和参考。

1　模型建立

1.1　常温下易燃液体蒸发速率计算

对于可认为无边界的较深液池而言，可认为液体本身温度与环境温度相等，液体中存在一维传热过程。依据James G. Quintiere的研究[18]，把易燃液体的蒸发看做低质量一维稳态流，理想条件下，有：

(1)

式中：mg为液体蒸发质量流量，g/(m2·s)；Tb为初始温度，K；Ts为蒸发温度，K；h为液面与空气对流换热系数”，W/(m2·K)；hfg为气化热，J/g。

而实际情况下，易燃液体泄露后形成浅液池，需要考虑地面与液体表面之间的换热作用，其对流换热系数设为hL，则液面上方能量守恒方程为：

mghfg=h(T∞-Ts)+hL(TD-Ts)

(2)

式中：T∞为环境温度，K；TD为地面温度，K。

取T∞=TD，(1)式和(2)式联立可得：

(3)

因此，以甲醇为例，环境温度取25℃，液面与空气对流换热为8 W/(m2·K)，液体与地面对流换热为10 W/(m2·K)时，由(3)式可求得Ts=272 K，代入(1)式即该条件下甲醇液体蒸发质量流量mg=0.44 g/(m2·s)。

1.2　网格划分及工况设置

采用ICEM建立模型，网格类型为结构化网格，模型尺寸为80 m×6 m，易燃液体蒸发位置位于模型(隧道)的中间，长5 m，蒸气产生部位网格尺寸为0.05 m×0.1 m，两侧网格尺寸为0.1 m×0.1 m。模型两侧洞口为速度入口，上下边界为绝热壁面，温度为298 K，压力为101 325 Pa；模拟中易燃液体采用甲醇，蒸发质量流率为0.44 g/(m2·s) ，定义风向从左向右为正向，工况设置如表1所示。为更加全面的分析隧道内蒸气的分布，对隧道内高度为1.5 m处进行浓度变化监测，一辆车工况中，车辆紧邻蒸发区域右侧，隧道内车辆位置及监测位置如图1所示。

表1　工况设置

图1　蒸气浓度监测及车辆位置示意Fig.1　Layout diagram of vapor monitoring location and vehicles

2　结果分析

2.1　障碍物及通风条件对蒸气扩散分布规律的影响分析

图2给出了隧道内存在单障碍物时，不同通风速率下甲醇蒸气扩散的稳态分布规律。可以看出，蒸气扩散后在隧道内形成了较为稳定的浓度梯度，蒸汽扩散与风速呈正相关，且隧道中上部蒸气浓度较低，蒸气扩散也产生了微弱的回流；对于不同风向，障碍物处于泄漏源的下风向时，混合气体流动受到阻挡，导致蒸气主要集中于车辆下部，下游蒸气浓度较低且浓度梯度线位置高度相对较低，而障碍物处于泄漏源的上风向时，穿过障碍物的紊乱气流作用于泄漏源上方蒸气，浓度梯度线位置相对较高，更能加剧蒸气扩散。

图2　不同风速风向下蒸气的扩散分布云图(单障碍物)/mFig.2　Nephogram of vapor distribution under different directions and velocity of wind (Single obstacle condition)/m

图3　不同风速风向下蒸气的扩散分布云图(多障碍物)/mFig.3　Nephogram of vapor distribution under different directions and velocity of wind (Multi-obstacle condition)/m

图4　甲醇蒸气质量浓度等值线(单障碍物)/mFig.4　Contours of the methanol vapor distribution(Single obstacle condition)/m

图3给出了隧道内存在多障碍物时，不同通风速率下甲醇蒸气扩散的稳态分布规律。可以看出，障碍物较多时蒸气扩散规律整体上与单障碍物时基本一致，但也存在不同之处，此时风向的影响更加复杂，由于正向通风时，泄漏源下风向存在的障碍车辆多于负向通风工况，相对而言，正向通风时阻碍较大，气流在车辆间更容易形乱流，使混合气流难以向隧道口流动，因此其下风向蒸气积聚现象十分严重。

2.2　蒸气扩散危险区域分析

甲醇蒸气爆炸极限为6%～36%，质量分数约为6.5%～38.3%，则在隧道内甲醇蒸气浓度达到该范围的区域危险性较大。图4为单障碍车辆时不同风速及方向下蒸气扩散的危险区分布。可以看出，风速为1 m/s时，正向通风情况下，由于泄漏区域下风向存在障碍物，混合气体流动受阻，上部蒸气浓度仅1%左右，因此危险区域主要集中在地面附近；负向通风时，由于通风受到车辆的阻碍，导致下游形成的危险区域水平方向上距离要比前者小，但在垂直方向上高度比前者大；另外，两者蒸气分布分层稳定性都较好。

当风速达到4 m/s时，气流快速从车底穿过时向上的流动加速了蒸气的扩散，正向通风和负向通风工况下均在100 s内形成较为稳定的分布，液体蒸发区下游危险区域快速形成，且区域面积更大。

图5为多障碍车辆时甲醇蒸气扩散的危险区域分布。可以看出，正向通风风速较小时，危险区域的高度边界离地面较近，分层相对较少，风速较大时，车辆首尾位置对蒸气的影响作用显著，造成了车辆底部、车辆之间的蒸气积聚，分层较多且分布紊乱，危险区域主要集中于车辆之间和尾部；负向通风时，其危险区域的面积相对较小，这是因为泄漏源的上风向存在较多的障碍物，作用于泄漏源上方的气流相对较弱。

图5　甲醇蒸气质量浓度等值线(多障碍物)/mFig.5　Contours of the methanol vapor distribution(Multi-obstacle condition)/m

图6　隧道内流场变化(单障碍物)/mFig.6　The variation of the flow field in tunnel (Single obstacle condition)/m

此外，对比图4和5可以看出，相同风速条件下，障碍物的数量不同时，蒸气的浓度分布差异也十分明显，障碍物较少时，蒸气浓度分布分层明显且稳定，危险区域较为规则，障碍物较多时，由于障碍物对气流的影响较大，也导致蒸气浓度分层较多且混乱，障碍物附近出现局部积聚现象，规律性差。

2.3　隧道内流场及蒸气浓度变化规律分析

2.3.1流场变化规律分析

以2 m/s通风速率为例，对隧道内存在障碍物情况下的流场变化进行分析，揭示通风与障碍物综合作用对甲醇蒸气扩散的影响。

图6给出了单障碍物时隧道内的流场速度矢量图和流线图。可以看出，速度较大区域主要位于送风侧的车辆边缘上部区域，该区域形成了气流漩涡，这也是负向进风时蒸气扩散回流的原因；气流穿过车底会有向上流动的趋势，从而把蒸气带离地面，负向通风时该现象尤为明显，这导致了负向通风时垂直方向上蒸气分布较广；隧道上方气流平稳，蒸气不易积存，因此蒸气主要分布在隧道中下部；另外，车辆的下风向也产生了气流漩涡，且方向不同，数量也较多，气流十分紊乱，这导致蒸气在该位置积聚较为严重。

图7给出了多障碍物时隧道内的流场速度矢量图和流线图。可以看出，多障碍物工况时，气流的紊乱整体规律与单障碍物时基本一致，且正向和负向通风条件下均有回流现象，但流场变化要比单障碍物时复杂很多。正向通风时，经过第一障碍车辆的气流有向上分流的趋势，经过第二障碍车辆时，气流在车辆之间形成强烈的漩涡，导致此处蒸气积聚，第三障碍车辆下风向位置存在涡流和回流，蒸气的积聚现象也较为明显；负向通风时，第一障碍车辆对风流有阻碍作用，经过第二障碍车辆后，蒸气向上扩散并产生积聚，经过第三障碍车辆后，虽然在下风向也产生了涡流、回流现象，但该处蒸气的积聚较正向通风时低。

2.3.2隧道内1.5 m高度处蒸气浓度的变化规律分析

易燃液体泄露后蒸发扩散，考虑隧道内人为用火(抽烟等)产生能量等因素，将隧道内1.5 m高度处作为研究对象，分析该位置处蒸气浓度随时间变化的规律。

图7　隧道内流场变化(多障碍物)/mFig.7　The variation of the flow field in tunnel (Multi-obstacle condition)/m

图8　隧道内1.5 m高度处甲醇蒸气浓度变化(单障碍物)Fig.8　The variation of the methanol vapor concentration at a height of 1.5 meters in tunnel (Single obstacle condition)

图8和图9给出了各个工况下，隧道内1.5 m高度处蒸气浓度随时间的变化曲线。单障碍物时，风速为1 m/s和2 m/s时，正向通风隧道内1.5 m高度处蒸气浓度均未达到爆炸极限，负向通风时，在泄漏源的下风向存在10～20 m的区域蒸气浓度达到爆炸极限，这是由于经过车底的气流向上分流，携带作用较强所致，风速为4 m/s时，正向和负向通风时均有达到爆炸极限的区域，但负向通风时浓度峰值高于正向通风时10%左右，说明负向通风时穿过障碍车辆的向上的气流直接作用于蒸发区，加剧了蒸气扩散。风向相同时，风速越大越有利于泄漏源蒸气的扩散，同时也在一定程度上增大了危险区域。

多障碍物工况下，隧道内1.5 m高度处的浓度整体上要高于单障碍物时的浓度，且所有工况均出现了浓度处于爆炸极限范围内的区域，这是因为多障碍物工况下，障碍车辆之间及车尾的气流漩涡导致蒸气积聚所致；通风方向一致时以及风速大小相同方向相反时，均存在与单障碍物时基本一致的规律。

图9　隧道内1.5 m高度处甲醇蒸气浓度变化(多障碍物)Fig.9　The variation of the methanol vapor concentration at a height of 1.5 meters in tunnel (Multi-obstacle condition)

3　结论

1)隧道内通风有利于避免泄露区域蒸气积聚，且风速越大，扩散现象越明显，但在大面积泄漏事故中，由于蒸气量较大，通风作用也会扩大易燃液体蒸气危险区域。

2)障碍物位于泄漏源的上风向时，通过障碍物的紊乱气流直接作用于蒸发区域，携带作用较强，能够携带更多的蒸气，导致蒸气在下游空间的分布更广，蒸气扩散形成的危险区域较大；障碍物较多时，隧道内流场紊乱，尤其是障碍物之间位置，产生了气流漩涡和回流，导致泄漏源的下风向蒸气扩散范围相对较广，车辆之间以及车辆尾部存在较为明显的蒸气积聚现象，蒸气分布规律性较差。

3)在隧道内，由于通风以及障碍物的综合影响，易燃液体蒸气扩散产生回流作用，但回流程度较小，同时由于隧道上部气流稳定，使得蒸气不易积聚，因此蒸气主要集中在中下部位置。

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