隧道内甲醇液体蒸发及蒸气扩散规律数值模拟分析*

陈长坤,王玮玉,2,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.中国长江三峡集团公司， 湖北 宜昌 443002；3.建筑消防工程技术公安部重点实验室，天津 300381)

数字出版日期： 2017-12-19

0　引言

社会的进步对危化品的分配提出了更高的要求，但复杂的运输条件给危化品的分配也带来一定程度的不安全，比如易燃液体泄漏事故，不仅有易燃液体的泄漏，还存在其蒸气的扩散。

国内外学者针对危化品的泄漏蒸发及蒸气扩散进行了大量研究，较为著名的实验研究包括由美国能源部组织的历时6年的Burro实验、由英国HSE组织的Thorney Island实验、Shell泄放实验等[1-3]；Hansen、Sun等人结合Burro实验对危化品的泄漏扩散进行了持续研究[4-5]；Giannissi等人采用CFD和实验的方法研究了LNG泄漏扩散，结果表明CFD软件对泄漏扩散的模拟与实验结果较为符合[6]；He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[7]；Jang等人采用CFD方法从蒸气扩散和温度变化2个方面对LNG罐体事故性泄漏进行了研究，得到了较为有价值的研究成果[8]。在国内，刘国梁等人采用模拟实验的方法研究了障碍物对有毒有害气体扩散分布规律的影响[9]；王文和、张江华、孙莉等人从多方面系统分析了国内外危险化学品泄漏扩散方面的研究，并提出了现存的问题进一步研究的框架[10-12]；姚志强、翟美玉、郑茂辉等人考虑障碍物、风速、泄露口形状等因素，对危化品泄露扩散的影响进行了数值模拟研究[13-15]；周宁等人应用实验的方法，以CO2作为研究对象，研究了气体扩散的影响因素[16]。

以上学者对危化品在开放空间的泄漏扩散研究较为深入，但对于运输过程中的隧道内易燃液体泄漏后蒸发及蒸气扩散的研究鲜有涉及，隧道的半封闭狭长空间结构对易燃液体蒸气的扩散极为不利，因此有必要对隧道内易燃液体泄漏后蒸气的扩散规律进行研究，为该类事故的处置提供一定的理论指导。

1　模型建立

1.1　隧道模型

运用FLUENT软件进行计算，采用三维模型，长、宽、高分别为30，8，6.65 m，泄漏车辆位于隧道中央，车辆尺寸为8.5 m(长)×2.5 m(高)×3 m(宽)，车辆底部高度为0.5 m，易燃液体浅液池位于车辆后侧，为简化计算，考虑浅液池呈圆形，直径为3 m，结构化网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m。对隧道内的蒸气浓度进行监测，水平方向上监测线标记为A～G层，其中A～D每层3处，垂直方向上共4处，位于隧道纵向中面上，以车辆为中心对称布置，分别为两侧隧道口和车辆前、后方，记为I，K，L，N，其中监测位置L位于浅液池中心处，具体布置如图1所示。

图1　计算模型及监测位置示意Fig. 1　Layout diagram of model and vapor monitoring location

1.2　工况设置及边界条件

工况设置为无风条件下易燃液体自然蒸发及其蒸气的扩散。易燃液体采用甲醇，隧道两侧洞口为压力出口，环境温度为25 ℃，浅液池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)。

James G. Quintiere等认为液池较深时把液体的蒸发过程看作低质量一维稳态流，质量蒸发速率为[17]：

(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为液体与空气对流换热系数，W/(m2·K)；hfg为气化热，J/g。

而在实际中，在平整的地面上泄漏液体流淌形成的液池较浅(此时Tb=Ts)，James G. Quintiere等学者引入液体与地面的对流换热系数hL[17]，则有：

mghfg=h(T∞-Ts)+hL(TD-Ts)

(2)

式中：T∞为环境温度，K；TD为地面温度，K。

因此，(1)式和(2)式联立可得关于Ts的表达式：

(3)

式(3)即为地面浅液池表面温度计算式，根据上述边界条件，通过MATLAB计算可得到Ts=271.8 K，结合式(1)即可得到该条件下浅液池质量蒸发速率为0.431 3 g/(m2·s)。

2　计算结果分析

2.1　蒸气分布分层基本规律

图2和图3分别为隧道内甲醇蒸气质量浓度达到1%和6.5%的等值面图(甲醇蒸气爆炸下限体积分数为6%，转化为质量分数为6.5%。从图2可以看出，60 s时刻时，蒸气扩散至隧道顶部，在100 s时刻时，蒸气扩散至右侧隧道口附近；由于液池左侧有障碍车辆的阻挡，隧道左侧的蒸气分布区域明显小于右侧，且分布高度也略低于右侧。由图3可以看出，甲醇蒸气浓度达到爆炸极限的分布层高度较低，在40～60 s时间段内车辆底部蒸气分布区域较大，说明车辆底部更为狭小的空间产生了蒸气积聚现象，100 s时显示蒸气分布向隧道口移动，120 s时刻，隧道口附近部分区域蒸气浓度也达到了爆炸极限，说明蒸气不只存在于液池附近位置，隧道内甲醇蒸气分布不稳定，且扩散范围较广。

图2　甲醇蒸气质量分数为1%等值面Fig. 2　Contour surface of vapor mass fraction (1%)

图3　甲醇蒸气质量分数为6.5%等值面Fig. 3　Contour surface of vapor mass fraction (6.5%)

2.2　水平方向上监测位置蒸气浓度变化分析

图4给出了A，C，D 3个监测位置的甲醇蒸气浓度随时间变化的曲线。由图4(a)可以看出，3个位置均出现了甲醇蒸气浓度超过爆炸极限的现象，图4(b)显示h=1.0 m的高度层上最大蒸气浓度较为接近但均未达到爆炸极限，而由图4(c)可以看出在h=1.5 m的高度上，隧道空间中甲醇蒸气的浓度基本维持在3%左右，这说明甲醇蒸气主要集中在距离地面1 m以下的位置，在泄漏源上方、车辆底部、车辆两侧等位置，均可能出现蒸气接近或超过爆炸极限的区域，属于危险区域，而在1 m以上的空间中甲醇蒸气浓度相对较低。综合图4(a)，(b)，(c)，在3个监测高度层上，均存在2个甲醇蒸气浓度峰值(车辆遮挡情况除外)，对应位置分别为车辆位置(底部和两侧)、蒸发源上方，表明这2个位置出现了蒸气积聚现象，车辆的存在是该位置产生蒸气积聚的直接原因，也说明了障碍车辆对蒸气的扩散产生了不利影响。

图4　A，C，D监测位置甲醇蒸气浓度变化Fig. 4　Change of methanol vapor concentration of monitor Location A, C, D

图5给出了隧道内高度分别为3，4，5 m处的甲醇蒸气浓度随时间变化的曲线。可以看出隧道内3 m以上空间中甲醇蒸气浓度均未超过2%，表明隧道内中上部并未产生蒸气的积聚，这是因为甲醇蒸气分子量略大于空气，所以不易扩散至较高位置，且隧道口位置较近，有利于扩散；图5还显示高度为4 m和5 m时，车辆上方蒸气浓度大于蒸发源上方，这也说明了事故车辆的存在对蒸气的扩散产生了较大影响。

图5　E，F，G监测位置甲醇蒸气浓度变化Fig. 5　Change of methanol vapor concentration of monitor Location E, F, G

2.3　竖直方向上监测位置蒸气浓度变化分析

图6为垂直方向上的甲醇蒸气浓度监测结果。可以看出，两侧隧道口处甲醇蒸气浓度均低于0.1%，但右侧隧道口处高于左侧，且右侧隧道口处地面也存在一定量的蒸气，表明车辆对蒸气向左侧的扩散产生了阻碍作用；结合I，N，K位置的结果可以发现，隧道内3～6 m的高度区间内浓度相对较高，而隧道中下部蒸气浓度则很低；另外由图6(d)可以看出，浅液池上方蒸气浓度明显较高，1 m以下的空间中已达到爆炸极限，1 m上部的空间浓度也达到了5%。

图6　I，K，L，N监测位置甲醇蒸气浓度变化Fig. 6　Change of methanol vapor concentration of monitor Location I, K, L, N

图7　隧道纵向中央截面甲醇蒸气浓度变化Fig. 7　Methanol vapor concentration changes on the tunnel longitudinal central section

2.4　隧道内纵向中央截面蒸气浓度变化分析

由图7可以看出，蒸气在1 min左右时已扩散至车辆上方的隧道拱顶，90 s时蒸气已扩散至右侧隧道口，2 min左右时蒸气扩散充满了泄漏侧的隧道空间；无风条件下蒸气扩散时竖直截面上分层规律性较好，在远离泄漏源的位置，隧道拱顶的蒸气扩散速度要比下部空间快，但浓度较低。车辆的存在对蒸气扩散产生了较大影响，一方面车辆底部产生了蒸气积聚，另一方面车辆上方位置浓度也较高，车辆左侧隧道中下部空间基本无蒸气扩散，而上部空间存在蒸气扩散，且扩散速度较快；另外，泄漏源上方以及右上方蒸气浓度也较高，由于右侧隧道口距离泄漏源较近，左侧有障碍车辆的阻挡，因此蒸气向右侧扩散蔓延比较快。

3　结论

1)甲醇的蒸发速率较快，浅液池产生的蒸气量较大；液池附近位置以及车辆底部及两侧位置会出现甲醇蒸气的积聚现象，浓度分层具有一定的规律性，纵截面浓度分层较为明显，隧道口距离泄漏源距离较远时，对蒸气的扩散不利。

2)甲醇蒸气主要分布于隧道中下部位置，尤其是距离地面1 m以下的空间，在泄漏源上方、车辆底部、车辆两侧均可能出现蒸气接近或超过爆炸极限的区域，属于危险区域，而隧道内1 m以上的空间中蒸气浓度相对较低。

3)障碍车辆对隧道内甲醇蒸气的扩散影响较大，一方面其导致了车辆底部和两侧较低位置蒸气的积聚，另一方面阻碍了蒸气向对侧隧道口的扩散，对蒸气的扩散产生了不利影响。

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