基于DPM模型的水喷雾抑制氯气泄漏扩散方法研究

范林盛,刘 勇,2,3*,白金花,程智慧

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201)

液氯为基本化工原料[1],由于受到驾押人员行为、气候与交通环境、车辆与容器等诸多不确定因素的影响,在液氯槽罐车道路运输过程中,极易发生运输事故[2]。而81%的槽罐车危险货物运输事故都会发生危险货物泄漏[3]。由于液氯的沸点为-34.6 ℃,其在常温常压发生泄漏后会立即汽化成气体。同时,氯气是一种剧毒气体,不同浓度氯气可能导致人体从轻微损害直至瞬间引起呼吸困难、脉搏减少、发绀、造成致命性损害等不同严重程度的危害[4]。2005年3月29日,京沪高速淮安段液氯槽罐车泄漏事件造成28人中毒死亡、350余人受伤。因此,如何科学、高效地处置氯气泄漏扩散事故,是液氯道路运输过程中必须解决的重要现实问题。

水幕法作为一种简易、经济、可靠的控制气云扩散的技术方法,能抑制蒸气云的扩散,降低发生爆燃等危害的可能性[5]。许多学者开展了水稀释蒸气云团机理的研究。如:Dandrieux等[6]使用孔雀尾状喷雾对氯气云团抑制效果进行试验,对现有知识理论进行了扩展;Bara等[7]、Rana等[8]、 Dimbour等[9-10]、Hald等[11]、Sklavounos等[12]针对水幕设置及气象条件对阻隔和稀释有毒气体的影响进行了研究。近年来,国内研究人员开始关注有毒气体泄漏扩散的控制研究,如方珊珊等[13]以CO2替代有毒气体,对水幕稀释阻挡有毒气体扩散做了相关试验,研究了水幕层数、与泄漏源的距离等参数对有毒气体扩散的影响规律;谭蔚等[14]基于有色发烟剂试验研究,结合计算流体力学模拟,对水幕高度、位置等关键参数进行了对比分析;张娟等[15],蒋为波等[16]对大型储罐区内水幕抑制重气扩散进行了模拟试验,对比分析了水幕设置距离、排列方式等因素对重气稀释效果的影响;张登杨等[17-18]、雷刚等[19]、孙标等[20]探究了水幕与低温蒸气云团之间的相互作用机理,分析了水幕相关参数对气云扩散的影响;翁浩铭[21]、张淑淑等[22]通过综述水幕用于LNG储罐消防冷却水防护措施时发现,向上实心锥形水幕控制LNG蒸汽的效果优于扇形水幕和向下实心锥形水幕。

以上关于水雾抑制气云扩散的研究主要侧重于储存环节,而针对道路运输环节中水喷雾抑制氯气泄漏扩散行为的研究较少,尤其是未考虑坡道路段对氯气泄漏扩散抑制的影响。因此,本文采用Fluent软件研究水喷雾对坡道路段液氯罐车泄漏扩散的抑制作用规律,并对水雾喷射源类型、位置、数量等关键影响因素进行分析,以为液氯罐车泄漏事故应急处置工作提供理论指导。

1 水喷雾抑制氯气泄漏扩散模型的建立

1.1 模型建立

本文假设某液氯槽罐车被追尾导致罐体尾部出现连续性气相泄漏;泄漏源为固定泄漏源。为研究喷射源类型(锥形和扇形)、数量(坡道路面和平面路面1、2、3个)以及位置(距离罐体6、10、14、18、22和36 m)等水喷雾关键参数对氯气泄漏扩散抑制规律,本文采用ANSYS软件包中的SpaceClaim 3D软件建立物理模型如图1所示。为简化槽罐车模型,将其设定为长10 m,直径4 m的圆形储罐,距离地面高度为1 m。考虑计算精度、计算机资源和阻塞率原则,计算域为100 m×50 m×30 m。使用ICEM CFD软件进行结构化网格划分,并对网格局部加密。在试算30万、50万、60万、70万、80万、90万和100万7种网格数量的基础上,确定网格数量为80万,且符合网格质量检查评判标准。设定风速入口为速度入口,泄漏口为质量流率入口,出口为自由出口,其余为壁面;环境风速为1 m/s,风向沿x轴正方向;环境温度为300 K。

图1 液氯槽罐车氯气泄漏物理模型Fig.1 Physical model of chlorine leakage in the liquid chlorine tank car

氯气泄漏后的流动可看为湍流流动过程,湍流模型选择Realizable κ-ε模型。相关理论模型见参考文献[23]。本文采用离散相模型(discrete phase model,DPM),通过Navier-Stokes方程耦合Realizable κ-ε湍流模型计算氯气扩散行为,采用拉格朗日法模拟水雾液滴从喷射口喷出后的运动轨迹。液滴的力平衡方程如下:

(1)

式中:uP为气相速度(m/s);ρP为气相密度(kg/m3);u为液滴速度(m/s);ρ为液滴密度(kg/m3);gx为重力矢量(m/s2);Fx为附加加速度总和(m/s2);FD为单位质量流速上的阻力系数(s-1),有:

(2)

式中:uf为流体黏度(N·s/m2);CD为阻力系数;Re为雷诺数;dP为液滴直径(m)。其中:

(3)

(4)

上式中:常数a1、a2、a3的大小由相对雷诺数范围决定。

水雾与氯气云团的换热与对流过程利用热平衡方程计算,其表达式如下(不计热辐射):

(5)

式中:mP为液滴的质量(kg);AP为液滴的表面积(m2);T∞为气相的温度(K);CρP为液滴的比热容[J /(kg·K)];h∞为对流传热系数[W/(m2·K)]。

为便于计算,本文做如下假设:

1) 颗粒(液滴)与壁面发生碰撞时,即视为被壁面捕集(trap),终止计算;

2) 水幕液滴的粒径分布采用统一(uniform)的粒径分布;

3) 忽略水幕液滴之间的相互影响;

4) 忽略水滴与外界的辐射传热;

5) 忽略水滴与连续相的质量交换,即不考虑水滴对氯气的溶解作用;

6) 假设在氯气泄漏10 s后开启水喷雾。

1.2 喷射源设置

水雾喷出后其外观形态一般呈扇形或锥形。本文选择锥形和扇形喷射源模型,研究不同类型喷雾形状对氯气云团扩散行为的影响规律。不同类型喷射源喷雾液滴粒子分布情况,如图2所示。

图2 不同类型喷射源喷雾液滴粒子分布Fig.2 Particle distribution of different types of injection source spray droplets

2 模拟结果与分析

由《工作场所空气中有毒物质容许浓度》可知,空气中氯气浓度达3 000 ppm(1 ppm=10-6)时,人体深吸入少许空气可能会危及人员生命,因此本文重点考虑对氯气的致命体积摩尔浓度(4.23×10-5kmol/m3)的控制。本文采用Fluent软件对水喷雾抑制氯气泄漏扩散行为进行数值模拟,分析水雾喷射源类型、位置、数量对水喷雾抑制泄漏扩散行为的影响规律。

2.1 喷射源类型对水喷雾抑制氯气泄漏扩散效果的影响

在平面路面分别设置锥形和扇形喷射源,研究不同类型喷射源水喷雾对氯气泄漏扩散的抑制效果,其模拟结果如图3所示。

图3 不同喷射源水喷雾抑制氯气泄漏扩散云图Fig.3 Cloud chart of different injection source in inhibiting chlorine leakage and diffusion

由图3可知:

1) 喷射源水幕形成后,氯气云团在水幕处被截断,大量的氯气被抬升至高空,通过水雾液滴与氯气云团的动量交换,在水雾后方形成了小范围的漩涡,增强了空气的卷吸作用,同时迫使其沿横向和纵向运动,从而抑制了氯气云团沿下风向的扩散运动。

2) 两种喷射源水雾均对氯气进行了有效的阻挡,在水幕屏障后方氯气的摩尔浓度低于其致命体积摩尔浓度,大部分氯气被挡在了水幕上风向侧;与扇形喷射源相比,锥形喷射源在同一高度处氯气云团被抬升的幅度更小、氯气浓度更高,如t=25 s、y=7.0 m时,设置锥形喷射源和扇形喷射源的空气中氯气浓度分别为2.73×10-5kmol/m3和1.86×10-5kmol/m3。这是由于水雾液滴受自身初始动量及环境风速的影响,在x方向具有一定的速度,带动氯气云团向前扩散,并有部分氯气被卷吸进入液滴的缝隙之中。扇形喷射源较锥形喷射源对氯气云团向上的机械扰动作用更强,而锥形喷射源的喷雾液滴使得周围风速降低,氯气在通过锥形喷射源形成的水幕时能与液滴进行更充分的换热,因此锥形喷射源较扇形喷射源对氯气云团的换热作用更强,能更好地降低氯气云团扩散的范围。

在实际应急处置过程中,消防喷雾水枪形成的水雾更接近锥形;而扇形喷射源多用于危化品的厂区、储罐区等固定设施的喷雾冷却防护。因此,后文针对锥形喷射源进行相关研究。

2.2 喷射源位置对水喷雾抑制氯气泄漏扩散效果的影响

前期研究表明,坡道路段氯气泄漏时的扩散范围更广,不同的喷射源位置对氯气泄漏扩散抑制效果各不相同。在前期试算的基础上,本文设置6种工况(表1)研究锥形喷射源水喷雾抑制坡道路段氯气泄漏扩散的规律。

表1 喷射源位置(工况)设定

不同喷射源位置(工况)下y=2 m平面氯气浓度分布云图如图4所示,不同喷射源位置(工况)下不同监测点处氯气浓度随时间的变化曲线,如图5所示。

图4 不同喷射源位置(工况)下y=2 m平面氯气浓度 分布云图Fig.4 Cloud chart of chlorine concentration distribution in plane y=2 m at different injection source locations (working conditions)

图5 不同喷射源位置(工况)下不同监测点处氯气浓度 随时间的变化曲线Fig.5 Variation curves of chlorine concentration with time at monitoring points at different injection source locations(working conditions)

由图4可知:

1) 不同位置的喷射源,喷射水雾均对氯气沿风向的扩散产生了明显的抑制效果,当氯气云团到达喷射源处时,其开始沿横向扩散。由于喷射源形成的水雾并不能形成一张致密的雾墙,液滴与液滴之间存在空隙,因此在形成的水雾中将有少量氯气从缝隙中通过,并在喷射源的后方形成小面积的氯气云团,且喷射源距离罐体越近,穿透水雾的氯气浓度也越高。因此,当喷射源距离罐体越近时,喷射源中心位置的氯气覆盖范围最大;喷射源距离罐体越远时,喷射源两侧的氯气浓度也越大。

2) 当氯气云团输运至坡道路面与平面路面的交界处时会逐渐出现氯气堆积现象,大量氯气开始交汇在平面路面。这说明在坡道路面设置喷射源并未很好地解决氯气在平面路段的沉降问题。在工况5中,喷射源位置接近平面路面与坡道路面的交界处,此位置的氯气出现了堆积现象。在工况6中,坡道路面后方未出现大面积的氯气堆积现象,但在喷射源前方的坡道路面出现了氯气堆积现象,这是因为水雾形成的屏障阻碍了氯气向前的扩散作用,且氯气的扩散速度与喷射源距罐体的距离成反比,该位置的氯气扩散速度接近环境风速,近地面的氯气受到阻碍作用后沿下风向扩散的速度减慢,受动量、热量的共同作用氯气逐渐向上抬升造成氯气堆积在喷射源前方,并缓慢沿横向移动。同理,坡道路段氯气浓度未达到致命体积摩尔浓度是由于氯气未受到水喷雾的作用,致使大量氯气在近地面向前扩散。

由图5可知:

1) 针对监测点(16,0,1.5)处,当喷射源距离罐体坡面6 m时,该监测点处氯气最高浓度为1.55×10-4kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为10 m时,该监测点处氯气最高浓度为2.84×10-4kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为14 m时,该监测点处氯气最高浓度达到3.36×10-4kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为18 m时,该监测点处氯气最高浓度出现降低,为1.55×10-4kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为22 m时,该监测点处氯气最高浓度为6.13×10-5kmol/m3。对于坡道路面设置的喷射源,其与罐体距离较近时,在坡道路面段对氯气的抑制效果较好,当其与罐体距离大于14 m后,则呈相反的趋势[图5(a)]。

2) 监测点(30,0,1.5)处氯气浓度随时间的变化规律与监测点(16,0,1.5)处相同,当喷射源距离罐体距离为6 m时,该监测点处氯气最高浓度为6.46×10-5kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为10 m时,该监测点处氯气最高浓度为9.37×10-5kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为14 m时,该监测点处氯气最高浓度达到1.06×10-4kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为18 m时,该监测点处最高氯气浓度出现降低,为4.97×10-5kmol/m3;当喷射源距离罐体距离为22 m时,该监测点处氯气最高浓度为1.03×10-5kmol/m3。当在坡道路面与平面路面交界处设置喷射源后,即喷射源距离罐体36 m处,氯气最高浓度为4.74×10-6kmol/m3。因此,坡道路面设置喷射源对氯气沿坡道向下扩散起到了一定的抑制作用,但在坡道路面与平面路面的交界处设置喷射源对稀释平面路面后方的氯气云团具有更好的效果。这是由于喷射源距离罐体越远时,较近处的氯气云团没有受到障碍物影响,不会立刻完全聚集到近地面,因而氯气浓度较低。当喷射源距离较远后,坡道路段监测点(16,0,1.5)的氯气浓度较低,而平面路段监测点(30,0,1.5)距18、22 m处的喷射源较近,受到喷射源的阻碍及稀释作用,导致氯气浓度会低于距离喷射源较近处的氯气浓度。

2.3 喷射源数量对水喷雾抑制氯气泄漏扩散效果的影响

喷射源的数量可以通过形成不同形态、不同覆盖范围的水雾屏障来影响其对氯气泄漏扩散的抑制效果。考虑到坡道路面与平面路面设置喷射源对氯气泄漏扩散抑制效果不同,本文分别对坡道路面、平面路面设置3种不同数量(1、2、3个)喷射源的氯气泄漏扩散抑制效果进行数值模拟,其结果如图6和图7所示。

图6 不同喷射源数量下y=1.5 m平面氯气浓度分布 云图Fig.6 Cloud chart of chlorine concentration distribution in plane y=1.5 m with different number of injection source

图7 不同喷射源数量下不同监测点处氯气浓度随时间 的变化曲线Fig.7 Variation curves of chlorine concentration with time at different monitoring points with different number of injection source with time

2.3.1 坡道路面不同喷射源数量对水喷雾抑制氯气泄漏扩散效果的影响

由图6(a)可知,在喷射源与泄漏源间距离一定的情况下,随着喷射源数量的增加,下风向氯气浓度逐渐减小,水雾对氯气扩散的抑制作用效果更好。这是由于在多个喷射源的同时作用下,使得每个喷射源之间形成的屏障更加紧密,在罐体的正前方具有一定的重叠部分,通过增加水雾的密度使其产生更大的阻力来阻止氯气通过;同时,多个喷射源叠加形成了覆盖范围更广的水雾区域,增加了氯气沿横向的移动距离,有效降低了形成的屏障后方的氯气浓度。

由图7(a)可知:增加喷射源的数量,有效地抑制了氯气沿下风方向的扩散,在t=44 s时,2个喷射源的氯气最高浓度相较于单个喷射源降低了18.4%,3个喷射源的氯气最高浓度相较于单个喷射源降低了37%,说明在设置3个喷射源的模拟情景中,通过该点的氯气浓度最低,抑制效果最好。因此,在坡道路面增加喷射源的数量,同时也减弱了平面路面氯气的堆积作用。

2.3.2 平面路面不同喷射源数量对水喷雾抑制氯气泄漏扩散效果的影响

由图6(b)可知:与坡道路面喷射源相比,平面路面喷射源能更好地抑制氯气在平面路面下风方向的扩散,且随着喷射源数量的增加,抑制效果越好;同时,在平面路面设置喷射源的情况中,水雾上方均出现了大量的氯气堆积,增加喷射源的数量时,该现象的出现明显减弱,这是由于喷射源数量的增加,使得水雾在z方向的覆盖范围更大,增强了氯气在沿横向扩散时与液滴之间的动量交换与热交换,减缓了水雾上方的氯气云团的向下扩散作用。

由图7(b)可知,在t=60 s时,2个喷射源的氯气浓度相较于单个喷射源降低了10倍,当喷射源的数量增加到3个时,经过该点的氯气浓度为2.5×10-8kmol/m3。

3 结 论

运用基于DPM模型的水喷雾抑制氯气泄漏扩散方法,研究了喷射源类型、位置、数量等关键因素对氯气泄漏扩散抑制效果的影响,获得以下结论:

1) 锥形及扇形喷射源水喷雾均能对氯气泄漏扩散进行有效的阻挡,扇形喷射源水喷雾较锥形喷射源对氯气云团向上的机械扰动作用更强,而锥形喷射源水喷雾对氯气云团的换热作用更强。

2) 在坡道路面设置喷射源对稀释坡道路面的氯气云团具有较好的效果,当喷射源与罐体距离较近时,水喷雾对氯气泄漏扩散的抑制效果更好。在坡道路面与平面路面的交界处设置喷射源对稀释平面路面后方的氯气云团具有较好的效果。

3) 喷射源的数量对水喷雾抑制氯气泄漏扩散具有较大的影响,无论是在坡道路面还是在平面路面设置喷射源,均是随着喷射源数量的增加,水喷雾对氯气泄漏扩散的抑制作用增强。

4) 本文未分析气象条件如风向、风速、温湿度等对氯气泄漏扩散以及水喷雾对其抑制效果的影响,这些将在下一步研究工作中予以考虑。