企业车间氩气泄漏模拟

李 席 郭 勇 金效齐 朱林林 杨贵丽 李宗群

（1.蚌埠学院硅基新材料安徽省工程技术研究中心 安徽蚌埠 233030；2.南京理工大学化工学院 江苏南京 210094；3.蚌埠医学院第一附属医院 安徽蚌埠 233030）

氩气作为一种惰性稀有气体，在工业上应用相当广泛。在航空航天制造、节能玻璃、医学、化工行业、金属冶炼和热处理工业中常作为保护气，防止金属被空气氧化或氮化[1-2]。氩气不会对人体有直接危害，但其浓度过高时可造成人死亡。近年来，受限空间氩气泄漏造成事故较多。比如2001年合肥某企业车间发生氩气泄漏事故，造成4人死亡；南京一钢铁厂转炉车间2014年发生氩气泄漏，造成3人死亡；2019年扬州市某个工厂突然发生氩气泄漏事故，紧急疏散一百多名员工[3-5]。因此，研究氩气泄露扩散以可靠地监测空间内氩气的分布浓度和扩散范围，对于妥善的应急处置十分必要。

近年来，国内外学者对易燃、易爆、有毒有害气体等泄漏扩散进行了广泛研究[6-8]，而关于氩气空间的研究较少，高江涛等应用离散相模型对某钢厂200t钢包底吹氩进行数值模拟研究[9]；吴强等结合理论分析和实验研究探讨了氩气有限空间内传热过程[10]；现有研究较少针对受限空间泄露扩散，为此，本文利用计算流体力学软件Fluent模拟企业车间氩气的泄漏过程，探讨环境风速和氩气泄露速度对氩气泄漏扩散后的浓度空间分布影响，所得结果可为氩气泄漏预防及事故处理提供参考。

一、氩气泄露扩散的计算模型

（一）物理模型。氩气泄漏扩散的基本方程有质量守恒方程、连续性方程、动量方程、能量方程、组分传输方程等[11]。选择普遍使用的标准κ-ε湍流模型，该模型计算收敛性和精确性都能达到一般工程计算要求[12]。

以某加工车间建立2D物理模型（图1），研究氩气泄漏，计算域长6m、高3m[13]，水平方向距离地面1m处有直径0.1m的泄漏孔，工作时门为关闭状态，空间内窗户高为0.8m，位于泄露口对侧高度1.2m处和计算域正上方。

为了更加准确反映氩气泄漏扩散的影响，在计算域内设定测点，通过测点处氩气的浓度，可为制定氩气泄漏时应急处理措施提供依据。测点的高度依据正常人的呼吸器官高度1.5m[14]，测点坐标如表1所示。

图1 窗在泄漏口对侧时氩气泄漏的物理模型

表1 各个测点的坐标

（二）初始条件。计算过程涉及速度入口、压力出口、壁面三种边界条件。泄漏口设置为速度入口、窗户设置为压力出口，其余边设定为壁面（WALL）边界条件。物理模型的网格采用全四边形网格，泄露口和窗户口附近加密的网格最大尺寸为0.001m，其他网格的最大尺寸为0.02m。影响氩气泄露扩散的因素较多，本文主要研究窗户位置、环境风速和、氩气泄露速度对氩气扩散的影响。

二、结果与讨论

（一）氩气泄露扩散基本过程。以氩气泄漏速度5m/s，无环境风条件的模拟结果为例，图2为氩气管道扩散的各个时间点（T=1s,10s和30s)氩气质量分数空间分布图。

以氩气泄漏速度5m/s，无环境风条件的模拟结果为例，图2为氩气管道扩散的各个时间点（T=1s,10s和30s)氩气质量分数空间分布图。

图2 不同时刻氩气质量分数空间分布图

氩气刚发生泄漏时，以射流进入大气环境中[15]，由于浮力作用、空气阻力及重力等作用，一部分氩气向上扩散，另一部分向下扩散。随着氩气不断地扩散，泄漏氩气所受的惯性力作用逐渐减小，氩气是比大气密度更大的重气[16]，故氩气主要向下扩散趋势明显，导致地面附近氩气浓度增加，氩气碰撞地面后向四周散开，一部分氩气在压力出口被稀释。经过一段时间，下降趋势会随着大气的稀释而减弱，整个空间形成明显浓度分层，下层浓度明显高于上层浓度。

（二）影响因素。

1.环境风速。图3为氩气泄漏速度5m/s，环境风速分别是1m/s、3m/s和5m/s情况下氩气泄漏扩散30s的质量分数空间分布图。图4为三种风速下测点氩气质量分数的变化图。

图3 不同环境风速车间氩气质量分数空间分布图

图4 三种风速下不同测点氩气质量分数变化

结合图3～4可知，测点处氩气浓度的变化趋势基本相同，都有上升和下降变化过程，且各点的浓度值区分明显。环境风对泄漏扩散有明显的稀释作用，氩气迎风风速的作用下向上方运动趋势明显，风速越大，氩气扩散射流的水平距离越短，氩气越往泄露源上方附近区域靠拢，氩气泄漏扩散的范围越小。氩气的浓度达到33%时可使人窒息[17]，风速达到5m/s时，安全区域大幅度增加。

2.氩气泄漏速度。图5为窗户设置在泄露口对面，泄露速度分别为2m/s、7m/s氩气泄露扩散30s的氩气质量分数空间分布。

图5 不同泄露速度时氩气质量分数空间分布

图6 三种泄漏速度下不同测点的氩气质量分数变化

结合图2、图5和图6分析可得：1）氩气泄漏速度越大，单位时间内泄漏出的氩气越多，射流受重力的影响越大，向地面沉积扩散越显著，射流的水平距离越远，扩散过程中出现的回流现象越明显，扩散范围越广，空间内浓度越高。2）泄漏速度越大，氩气浓度的上升速度越快。窗户附近区域泄漏速度为2m/s时，要接近20s氩气浓度才达到33%；泄漏速度为7m/s时，仅经过5s左右氩气浓度即到达使人窒息的浓度，给人逃生带来较大困难。3）泄漏速度为5m/s和7m/s，泄露源附近区域在计算时间范围内氩气浓度上升速率几乎重合，15s氩气浓度即可让人窒息。

三、结论

用计算流体力学Fluent软件对企业车间氩气泄漏扩散进行了模拟研究，分析了环境风速和泄漏速度对氩气泄露扩散的影响。主要结论有：

（1）氩气泄露以射流进入受限空间，受浮力作用、空气阻力及重力等作用，氩气向下方扩散趋势明显。

（2）环境风对氩气泄漏扩散稀释作用明显，环境风速越大，氩气泄露射流的水平距离越短，氩气向泄露源上方附近区域聚集越显著，氩气泄漏扩散的范围越小，人安全区域越大。

（3）氩气泄漏速度越大，向地面扩散沉积的趋势越显著，氩气浓度的上升速度越快，空间内浓度越高，人逃生越困难。