職業(yè)病危害評價中氣體擴散模型研究及應用

摘要:目前我國的職業(yè)病危害評價方法主要有檢查表法、類比法、定量分級法，還沒有通過建立數學模型對工作場所的職業(yè)病危害因素進行評價的方法。本研究在環(huán)保領域中的高斯模型的基礎上，針對工作場所有害氣體擴散的特點，建立有限空間內有害因素擴散模型，并應用于實際評價。

關鍵詞:擴散模型職業(yè)病危害評價

1 引言

目前全國有毒有害企業(yè)已超過1600萬家，受到各種職業(yè)病危害的人群已超過兩億。我國職業(yè)病危害的接觸人數、職業(yè)病新發(fā)病例數、累計病例數和死亡病例數均居世界首位。為了促使用人單位主動防治職業(yè)病，提高職業(yè)衛(wèi)生管理水平，我國開展了職業(yè)衛(wèi)生評價工作。

在評價方法的選擇上，根據2002年衛(wèi)生部頒布的《職業(yè)病危害評價規(guī)范》，建設項目職業(yè)病危害評價采用檢查表法、類比法與定量分級法相結合的應用原則進行定量和定性評價。但檢查表法需事先編制大量的檢查表，工作量大而且比較籠統(tǒng)，不能定量評定危害程度或防治的效果。類比法進行評價時，由于沒有明確定義同類建設單位，較難選擇類比企業(yè)，并且選址、總平面布置、職業(yè)衛(wèi)生防護措施類比性較差。定量分級方法都必須以已有的相同或相似企業(yè)的檢測數據作為評價的依據，當沒有合適的測試數據作參考時，定量評價就無法實現。為了更好的掌握工作場所有害氣體的擴散規(guī)律，更全面的對各種有害因素進行分析，更有效的進行職業(yè)病危害評價工作，對于工作場所有害氣體的擴散問題，應研究一種定量的數學模型模型并應用到具體的評價工作中去。本文根據氣體擴散定律，對氣體介質在有限空間內的擴散問題進行研究并建立模型，并應用fluent軟件對其進行模擬。

2有害氣體擴散模型

對擴散模型的建立必須是建立在對有害氣體擴散過程的研究基礎上的。通過對擴散過程中的各種條件進行分析，并根據研究目的對擴散過程進行假設來完成模型的建立。

2.1 模型的建立

根據能量守恒定律微分形式，利用:(1)

本文主要研究的在有限空間發(fā)生的常規(guī)擴散，釋放源假定為連續(xù)源，切假定定泄放時間較長，氣體的泄放流量Q視為常數，所以可以認為擴散是定常的，并且忽略有害氣體與空氣的溫度差異，所以更進一步假設:

(2)

根據上述假設條件，對泄放氣體的擴散進行動

量平衡、質量平衡分析，可以推導出有害氣體在室內湍流擴散的控制方程，如下:

連續(xù)性方程: (3)

濃度變化的湍流擴散微分方程: (4)

式中:ui(i=1，2，3)為在x，y，z坐標軸方向上的分量，m/s;Ei(i=1，2，3)為在x，y，z坐標軸方向上的湍流擴散系數，m/s;c為有害氣體擴散的濃度，kg/m3;t 為擴散時間，s。湍流擴散系數可通過Pasquill-Gifford擴散曲線進行估算。

2.2 模型的簡化

當有害氣體在室內擴散到一定時間時，擴散流場達到穩(wěn)定，擴散空間內的某一點的濃度是恒定的。

根據上述假設條件，在室內空氣靜止情況下(u=0)，式(4)可以簡化為:

(5)

初始條件:t=0，c→∞;固定壁面邊界條件:x，y，z→∞，c→0 。對式(5)求解，得到有害氣體在室內無風條件下擴散濃度場分布的公式:

(6)

若室內有風場時，由于風場的作用遠遠大于分子的擴散作用，所以式(4)可以簡化為:

(7)

其初始條件和固定壁面條件和(5)相同，對式(7)進行求解，可以得出有害氣體在室內通風條件下擴散濃度場分布的計算公式:

(8)

3 有害氣體擴散的模擬實例

有害氣體的擴散可以認為是自由射流。自由射流過程是有害氣體與周圍空氣進行動量和質量的交換過程，也是有害氣體與周圍空氣的混合過程。本文采用CFD軟件FLUENT對有害氣體的擴散過程進行模擬。

3.1 幾何模型和數學模型

某廠建浴車間存在甲醛泄漏擴散問題，該建浴車間的平面幾何模型如下圖1所示:

圖1 幾何平面圖

3.2 邊界條件

建浴車間的溫度恒定，設定為300 K，車間中只有盛放甲醛的容器為釋放源，假設其釋放強度為0.1kg/s，且不隨時間變化，其它壁面無甲醛釋放。對其邊界條件設置如下:

甲醛容器:質量進口(mass flow inlet)，0.1kg/s

窗:上風向速度入口(velocity inlet)，1m/s

門:壓力出口(pressure outlet)，默認值

溫度:300k

3.3 模型模擬

本文采用標準的k-ε模型，利用組分輸運模式，在如上所設定的邊界條件下，對甲醛在建浴車間中擴散的速度、濃度情況進行模擬。按照幾何模型及邊界條件的設定，對模擬結果分析如下:

3.3.1 收斂性與穩(wěn)定性

計算過程中出口處平均速度和殘差的收斂情況都比較理想，圖2和圖3分別為出口(門)的平均速度收斂曲線和迭代過程中的殘差變化曲線，由圖知在迭代120次后，速度達到穩(wěn)定，殘差收斂標準為1e-5。

3.3.2 甲醛的濃度分布

甲醛的濃度分布是模擬計算中的關鍵技術參數，可在模擬結果的基礎上對甲醛擴散的現狀進行評價，并制定相應的預防甲醛中毒以及現場應急救援的措施。甲醛的濃度分布如圖4所示。

由濃度分布圖可知，車間內甲醛的最高摩爾濃度為1.45×10-3kmol/m3，即43.5mg/m3。根據工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學有害因素(GBZ 2.1-2007)的規(guī)定，甲醛的最高容許濃度為0.5 mg/m3。由此可見，本車間的甲醛濃度遠遠高于國家標準規(guī)定，急需要采取措施進行整改。

4 結論

本文應用數學建模的方式對有害氣體有限空間內穩(wěn)定擴散的速度和濃度進行估計和模擬，根據擴

散時的通風情況和泄漏量的變化，確定有害氣體擴散的速度和濃度分布情況。通過數學模型的方式對有害氣體的擴散進行模擬可以方便、有效的獲得擴散物質的濃度，為職業(yè)病危害評價工作提供了一種新的思路，可以作為職業(yè)病危害評價的輔助方法。

參考文獻:

[1] 丁信偉，王淑蘭，徐國慶.可燃及毒性氣體泄漏擴散研究綜述[J].安全與環(huán)境學報，2003，3 (3):1-2

[2] 吳晉湘，張麗娟，劉立輝，等.室內可燃氣體泄漏后濃度場變化的實驗研究[J].消防科學與技術，2005，24(2):169-171

[3] 溫正，石良辰，任毅加. FLUENT流體計算應用教程. 清華大學出版社 2009，1

[4] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2004，12-15

[5] QIAN XM，CHENL S，FENG C G.Simulation analysis of indoor gas explosion damage[J].Journal of Beijing Institute of Technology.2003，12(3)

作者簡介:

趙晶(1985- )，女(漢族)，內蒙古赤峰市人，2007年1月畢業(yè)于首都經濟貿易大學安全工程系，同年9月免試保送到該校安全工程系為碩士研究生，已發(fā)表論文2篇，目前研究方向為氣體泄漏擴散及仿真。

基金項目:

首都經濟貿易大學研究生科技創(chuàng)新資助項目