海底隧道危化品泄露扩散模拟

(青岛理工大学 山东 青岛 266033)

本文选定青岛地区海底隧道某段进行数值模拟，选用液化天然气作为模拟对象。由于液化天然气主要成分是甲烷，还有微量乙烷和丙烷。但液化天然气中甲烷浓度高于95%，因此本文利用甲烷代替液化天然气进行泄漏模拟。

一、液化天然气扩散数值模拟

(一)液化天然气扩散基本方程

液化天然气泄露扩散基本方程包括：连续性方程，动量守恒方程，能量守恒方程，组份输运模型和状态方程，将方程统一表示为以下方程：

(二)计算模型及边界初始条件

因为海底隧道和普通公路隧道都穿过岩层，在进行模拟时，边界条件的设定是相同的，所以按照一般公路隧道进行分析。模型的计算区域选择长×宽×高为200m×14m×8m的三维立体半圆柱模型，左边50m处放置一个长×宽×高为4m×2m×2m的长方体泄漏车辆模型。模型布置图如图1所示。

(a)隧道物理模型侧视简图

(b)隧道物理模型俯视简图

(c)隧道物理模型左视简图

初始计算条件设置：外界气压为标准大气压，泄露速率为50m/s，泄露口位置位于车体顶部，且液化天然气以气态形式泄露。

二、模拟结果分析

(一)风速对液化天然气扩散的影响

本文主要设置了3m/s、5m/s、8m/s三个风速变量且风速与进口垂直，表1为模拟后的结果。

由表1可以知道泄漏气体泄漏最大高度和最长距离。

表1 不同风速下泄漏气体的泄漏距离

由表1可以看出不同时间、不通风速下，泄漏气体扩散的距离远近。当泄漏时间一定的时候，随着风速增加，水平扩散的距离都在增加，但是8m/s的风速加快了泄漏气体的扩散，在达到稳定的时候距离反而比其他两个风速达到的距离缩短了2.1m左右。竖直方向上泄漏气体的高度逐渐开始下降。随着时间的增加，水平和竖直方向上的扩散情况也是和上述一样

所以风速对液化天然气的扩散有着重要的影响，当风速逐渐增大时，液化天然气影响的范围越来越广，但泄漏气体浓度范围却随着风速的增加而减小。风速越高，云团与周围环境交换热量的面积也越来越大，其交换速率也逐渐上升，密度逐渐降低，云团被稀释，故其爆炸影响范围也越来越小。

(二)温度对液化天然气的影响

本节根据青岛地区温度变化规律，主要选取了10℃、25℃和35℃三个温度，来探究不同环境温度下的液化天然气分布规律。

表2展示了不同环境温度下气体泄漏扩散质量分数分布水平方向和垂直方向最大距离

表2 不同温度水平方向和垂直方向最大扩散距离

由表可以发现，温度较低时，泄漏气体与周围环境换热减少，气体动能减少，扩散能力低，气体密度降低缓慢。随着温度的升高，泄漏气体吸收周围环境温度使得气体分子动能增加，气体分子速度变快，扩散能力增加，气体密度降低速率增加，泄漏气体扩散速率和泄漏扩散范围变大。

三、结论

1.风速越大，液化天然气泄漏的距离越远，浓度偏小，但是其爆炸浓度范围却在减小；风速越小，天然气泄漏距离越近，其浓度偏大，爆炸范围也在增大。

2.温度越高，液化天然气泄漏气体在垂直方向上的扩散距离变大，气体爆炸范围越小；温度越小，其在垂直方向上扩散的越小，气体爆炸浓度范围越大。