船舱CO2泄漏模拟分析 ①

李 席， 史正波， 程醒龙， 朱林林， 李宗群， 王传虎,*>

(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.蚌埠市神舟机械有限公司，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

船舶工业是国家经济的命脉之一，二氧化碳灭火系统在船舱中广泛应用[1]。近年，因二氧化碳的储存、使用不当可能导致二氧化碳泄漏事故较多，造成人员伤亡及严重的经济损失[2-4]。因此，对船舱二氧化碳泄漏扩散研究分析有重要意义。

顾帅威[5]、刘恩斌[6]、Kang Li[7]等研究了超临界CO2管道泄漏特性。钱新明[8]等阐述管道输送二氧化碳泄漏模型研究进展，提出了CO2管道泄漏的计算模型。陈兵等[9]利用软件模拟研究了含杂质CO2管道输送泄漏扩散规律。

以上研究侧重于CO2在管道内及向开放空间泄漏扩散的研究，对于相对封闭空间的船舱CO2泄漏扩散研究涉及较少，因此，本文采用计算流体力学软件探究船舱二氧化碳泄漏影响因素(泄漏速度、阻碍物高度和倾斜角)，为船舱CO2泄漏事故产生、预防及处置提供参考。

1 计算模型

1.1 基本假设和控制方程

为简化分析，做出如下基本假设：

(1)整个过程没有热量传递；

(2)在泄漏过程中，不发生相态变化和化学反应；

(3)二氧化碳泄漏速度不随着时间变化而变化。

船舱CO2泄露扩散遵循的基本方程有连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程，湍流模型选择标准k-ε控制方程[9-10]。

1.2 初始条件

建立2D船舱物理模型，如图1所示。计算区域为长5m×高2.4m[11]，距离船舱底部0.9m有直径11mm[12]泄漏孔，泄漏孔对侧靠近船舱顶部有高度400mm通风口。为了更加二氧化碳泄漏扩散的影响，在计算区域设置测点，测点的高度设置为人的呼吸器官所在高度1.5m[13]，测点坐标列于表1中。

图1 船舱二氧化碳泄漏物理模型

表1 测点坐标

模型网格采用四边形网格，在泄漏孔附近网格的最大尺寸为0.0005m，其它部分的最大网格尺寸为0.02m。通风口设置为压力出口，泄漏孔设置为速度进口，其余边设定为墙(WALL)。

2 模拟结果与讨论

2.1 船舱CO2泄漏过程

图2是泄漏速度为3m/s时，竖直阻碍物高为1m，60s内的气体扩散过程中不同时间节点的CO2质量分数空间分布图。

图2 不同时刻船舱CO2质量分数空间分布

图3 泄漏速度为5m/s不同时刻船舱CO2质量分数空间分布

由图2可知，船舱二氧化碳泄漏时，初始阶段形成射流，由于空气阻力和稀释，逐渐发展成球形气云，因二氧化碳是重气气体，所以球形气云下半部分的质量分数要高于上半部分。泄漏的二氧化碳气云遇到阻碍物改变运动方向，一部分气云沿着阻碍物爬升，气云回流现象及靠近船舱底部沉积明显，由于船舱壁面约束、横向和纵向涡旋等共同作用，阻碍物背面存在空腔区[10]，该区域利于人员逃生。

2.2 泄漏速度

图3是CO2泄漏速度为5m/s，其他条件一致时的扩散过程云图，图 4为泄漏速度5m/s时不同测点的CO2质量分数分布。

(a)测点1 (b) 测点3

(a) 10s (b) 30s

(a) 10s (b) 30s

分析图2～图4可知，CO2泄漏的速度由3m/s增加至5m/s时，受重力沉降向下堆积越明显，相同时间内CO2气体释放量更大，靠近阻碍物前形成更高浓度区域，进而出现气云沿船舱底面回流的现象愈明显，CO2泄漏速度3m/s比5m/s更早达到测点1，达到使人致命的CO2浓度(0.1)[14]时间更缓慢，随后形成的高浓度区域更小。当泄露的CO2气云越过阻碍物后，CO2泄露速度越大，在阻碍物背面形成空腔区越靠近船舱顶部，随后形成的高浓度区域越大，留给人的逃生时间越短。

2.3 阻碍物高度

图5和图6分别是CO2泄漏速度为3m/s，阻碍物高度分别为0.5m[15]，1.5m二氧化碳质量分数空间分布图，图 7 为不同阻碍物高度时测点二氧化碳质量分数变化曲线。

由图2、图5～图7分析可知，随着阻碍物高度的增加，CO2气云在水平方向的危险区域传播变缓，阻碍物的左侧会形成更多区域高浓度的二氧化碳气体，涡流区更明显。

CO2气云越过阻碍物后，高度1m和高度1.5m的阻碍物在泄漏时间60s内浓度都在0.1以下，而高度0.5m阻碍物在25s左右达到0.1的浓度，说明增加阻碍物高度可显著降低CO2浓度，增加人逃生时间。

(a)测点1 (b) 测点3

(a) 5s (b)30s

(a) 5s (b)30s

2.4 阻碍物倾斜角度

CO2泄漏速度为3m/s，保持阻碍物高度一致，图8、图9分别是阻碍物向左倾斜45°倾斜和向右倾斜45°倾斜质量分数空间分布图。

结合图2、图7和图8知，向左倾斜45°的阻碍物左侧形成的高浓度二氧化碳区域最大，阻碍物向右倾斜45°时二氧化碳扩散的区域最大。从图10a曲线图可以看出，阻碍物向左倾斜45°时，从气体泄漏开始几乎瞬间就达到了0.1，阻碍物阻碍作用强弱顺序：向左倾斜45°、直角和向右倾斜45°。阻碍物向左倾斜45°时，CO2气云越过阻碍物继续扩散的质量分数上升的最慢，留给人的逃生时间最多，向右倾斜45°的阻碍物，下风向高浓度CO2区域最大。

(a)测点1 (b) 测点3

3 结 论

本文基于计算流体力学分析了泄漏速度、阻碍物高度和阻碍物的倾斜角度对船舱二氧化碳泄露扩散的影响，主要结论如下：

(1) 泄漏速度越大，向船舱底部沉积愈明显，气体扩散的范围越大，回流现象越明显，危险区域越大，留给人的逃生时间越短。

(2) 增加阻碍物的高度可显著增加对二氧化碳泄漏的阻碍作用，显著降低CO2浓度，增加人逃生时间。

(3) 向左倾斜45°的阻碍物阻碍效果最佳，回流效果最显著。向右倾斜45°的阻碍物，下风向高浓度CO2区域最大，人逃生越困难。