有障礙物空間可燃?xì)怏w擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬

薛海強(qiáng) 張?jiān)鰟?田貫三 王國(guó)磊

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

有障礙物空間可燃?xì)怏w擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬

薛海強(qiáng) 張?jiān)鰟?田貫三 王國(guó)磊

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

薛海強(qiáng)等.有障礙物空間可燃?xì)怏w擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬.天然氣工業(yè),2010,30(5):119-122.

有限空間內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散容易引發(fā)危險(xiǎn)事故,而對(duì)于有限空間障礙物存在時(shí)氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究較少。為此,針對(duì)有限空間障礙物對(duì)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散的影響,采用雷諾平均的N-S方程,湍流模型以及無反應(yīng)多組分輸運(yùn)方程,對(duì)障礙物影響下可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬,并進(jìn)一步分析了泄漏位置和障礙物高度對(duì)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明:障礙物對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散過程有阻礙作用;障礙物影響下不同位置泄漏擴(kuò)散形成的濃度場(chǎng)不同,泄漏口與出口異側(cè),距離障礙物越近,房間內(nèi)形成的爆炸區(qū)域越大;障礙物高度越高,有限空間內(nèi)形成的爆炸區(qū)域越大,增大了危險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性。該模擬結(jié)果有助于室內(nèi)燃?xì)夤艿腊踩O(shè)計(jì),可為制訂室內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸事故的預(yù)防措施提供參考。

有限空間 可燃?xì)怏w 泄漏擴(kuò)散 障礙物 數(shù)值模擬 泄漏位置 濃度場(chǎng) 爆炸區(qū)域

由于可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散引起的爆炸事故時(shí)常發(fā)生,造成極大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了研究,通過開展風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬建立了一系列的泄漏擴(kuò)散模型,得到了各種影響因素下的泄漏擴(kuò)散規(guī)律[1-3]。在障礙物對(duì)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散影響的研究方面,主要集中于大氣環(huán)境下障礙物對(duì)泄漏擴(kuò)散過程的影響[4-5],對(duì)于有限空間障礙物存在時(shí)氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究較少,而很多爆炸事故都是在有限空間發(fā)生的。針對(duì)以上情況,本文對(duì)障礙物影響下室內(nèi)可燃?xì)怏w的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果有助于室內(nèi)燃?xì)夤艿腊踩O(shè)計(jì)及預(yù)防室內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸事故的發(fā)生。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

筆者研究的是室內(nèi)有限空間內(nèi)發(fā)生的泄漏,泄漏過程假定為連續(xù)泄漏,同時(shí)認(rèn)為其泄漏量為定值。室內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散可認(rèn)為是多組分氣體相互作用的湍流,泄漏氣體與空氣形成爆炸性混合物,混合氣體各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此采用k—ε湍流模型和無反應(yīng)多組分輸運(yùn)方程來模擬室內(nèi)氣體湍流泄漏擴(kuò)散過程,控制方程如下:

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

紊動(dòng)能(k)方程:

耗散率ε方程:

組分輸運(yùn)方程:

式中:ci為各組分質(zhì)量濃度;Ri為化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率,由于各組分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),故此項(xiàng)為0;Si為用戶定義而產(chǎn)生物種的速率;為i物種的質(zhì)量擴(kuò)散速率,,其中Di,m為組分i在混合物的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù),Sct為湍流施密特?cái)?shù)。

1.2 物理模型

圖1 數(shù)值計(jì)算物理模型圖

數(shù)值模擬物理模型見圖1,尺寸為1.1×1.3×2.2m。障礙物位于房間中央,假設(shè)其尺寸為0.3×0.4×0.5m,風(fēng)口大小為0.4×0.6m,廚房門高1.5m,考慮廚房門開啟一半的情況,寬度取0.3m。泄漏口直徑取10mm,A～E均代表泄漏口,其中心坐標(biāo)為(0,0.65,0.5)、(0,0.65,0.25)、(0,0.45,0.5)、(0,0.25,0.25)、(1.1,0.65,0.5)。家用燃?xì)庠罹叩念~定工作壓力為2000Pa,其泄漏源強(qiáng)度[6]為0.00716kg/s,室外風(fēng)均勻進(jìn)入室內(nèi),速度大小按1m/s計(jì)算。

2 數(shù)值模擬與分析

筆者在數(shù)值計(jì)算時(shí),選取液化石油氣作為研究氣體。由于液化石油氣主要成分為C3H8和C4H10,以C3H8和C4H10代替液化石油氣進(jìn)行模擬計(jì)算,其爆炸濃度范圍為0.0322～0.14(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),模擬區(qū)域各點(diǎn)氣體濃度處于爆炸濃度范圍時(shí)形成爆炸區(qū)域。可燃?xì)怏w擴(kuò)散形成的爆炸區(qū)域與泄漏口徑和泄漏壓力有關(guān),不同泄漏口徑和泄漏壓力下相同時(shí)間形成的爆炸區(qū)域不同,本文僅以300s為例進(jìn)行分析。

可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散一定時(shí)間后模擬區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)濃度互不相同,本文對(duì)垂直方向上距地面0.1m的平面(z=0.1m)爆炸區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析。圖2、3是泄漏口位于A處泄漏擴(kuò)散300s后,有、無障礙物時(shí)平面z =0.1m的氣體爆炸區(qū)域。可以看出無障礙物時(shí),泄漏氣體在重力作用和外界風(fēng)速作用下向下運(yùn)動(dòng),在房間局部堆積,形成的爆炸區(qū)域較小。而在障礙物存在的情況下,平面z=0.1m的氣體爆炸區(qū)域比無障礙物時(shí)形成的爆炸區(qū)域要大,這是由于泄漏出來的液化石油氣在初始動(dòng)量的作用下形成噴射過程,同時(shí)由于液化石油氣比空氣重,擴(kuò)散過程中受重力作用向下運(yùn)動(dòng),逐漸偏離射流中心。當(dāng)遇到障礙物時(shí)由于其阻礙作用,部分氣體會(huì)在障礙物附近堆積,隨著時(shí)間的增加,泄漏氣體逐漸增多并沿地面擴(kuò)散,導(dǎo)致障礙物附近氣體濃度大,周圍氣體濃度小,加大了該區(qū)域發(fā)生危險(xiǎn)事故的可能性。

圖2 A點(diǎn)無障礙物時(shí)t=300s平面z=0.1m的爆炸濃度區(qū)域圖

圖3 A點(diǎn)有障礙物時(shí)t=300s平面z=0.1m的爆炸濃度區(qū)域圖

圖4 E點(diǎn)泄漏t=300s平面z=0.1m的爆炸濃度區(qū)域圖

圖4為泄漏擴(kuò)散300s后,泄漏口位于 E處存在障礙物時(shí),平面 z=0.1m形成的爆炸區(qū)域。通過與圖3對(duì)比可知,在障礙物存在的情況下,泄漏口位于A、E時(shí),可燃?xì)怏w在障礙物周圍都發(fā)生了聚集,但泄漏口位于E處形成的爆炸區(qū)域要比泄漏口位于A處形成的爆炸區(qū)域小,這是由于 E點(diǎn)與廚房門同側(cè),距離房間出口較近,泄漏氣體在擴(kuò)散過程中很快到達(dá)房間出口,在外界風(fēng)速的作用下能夠及時(shí)地排放出去。這說明泄漏高度相同且有障礙物影響下,不同泄漏位置形成的爆炸區(qū)域不同,泄漏口與廚房門同側(cè)時(shí)形成的爆炸區(qū)域較小,與廚房門異側(cè)時(shí)形成的爆炸區(qū)域較大。

泄漏口位于B、C、D,泄漏擴(kuò)散300s后,x方向各平面爆炸區(qū)域見圖5。可以看出B點(diǎn)泄漏時(shí)障礙物前側(cè)形成的爆炸區(qū)域較大;而D點(diǎn)泄漏時(shí)障礙物后側(cè)形成的爆炸區(qū)域較大。這是由于B點(diǎn)距離障礙物較近,位置較低,泄漏氣體受障礙物的阻礙作用較大,容易使泄漏氣體在障礙物附近聚集,而D點(diǎn)距離房間墻壁較近,受障礙物影響較小,大部分泄漏氣體會(huì)沿著房間內(nèi)壁進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),由于外界風(fēng)速的影響,導(dǎo)致障礙物后側(cè)氣體濃度較大。這說明泄漏口距離障礙物較遠(yuǎn)時(shí),受障礙物的影響較小;而泄漏口距離障礙物較近時(shí),泄漏氣體容易在障礙物附近形成堆積,增大發(fā)生危險(xiǎn)事故的可能性。

圖5 B、C、D點(diǎn)泄漏x方向各平面爆炸區(qū)域面積圖

障礙物高度對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散過程有重要影響[4],固定障礙物的長(zhǎng)度和寬度,改變障礙物的高度得到不同高度下平面z=0.1m爆炸區(qū)域隨時(shí)間的變化曲線(如圖6所示)。可以看出,在各個(gè)時(shí)間障礙物高度為0.5m時(shí)形成的爆炸區(qū)域比高度為0.4m和0.25m時(shí)對(duì)應(yīng)的爆炸區(qū)域都大,短時(shí)間內(nèi)即可形成較大的爆炸區(qū)域。這說明障礙物高度越高,泄漏的可燃?xì)怏w越易堆積,發(fā)生危險(xiǎn)事故的概率越高。雖然不同的障礙物高度得到的爆炸區(qū)域不同,但平面 z=0.1m爆炸區(qū)域隨著時(shí)間的增加都是先增大再減小再增大。

圖6 不同障礙物高度下爆炸區(qū)域隨時(shí)間的變化曲線圖

3 結(jié)論

1)有限空間障礙物存在時(shí),重質(zhì)可燃?xì)怏w易在障礙物附近堆積,障礙物對(duì)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散有阻礙作用,增大爆炸事故發(fā)生的可能性。重質(zhì)可燃?xì)怏w在無障礙物空間泄漏擴(kuò)散時(shí),距泄漏口越遠(yuǎn)的截面上形成的爆炸區(qū)域越大,易在房間墻角處形成堆積,應(yīng)防止局部爆炸的發(fā)生。

2)有障礙物空間不同位置泄漏擴(kuò)散形成的爆炸區(qū)域不同,泄漏口與廚房門異側(cè)形成的爆炸區(qū)域比同側(cè)形成的爆炸區(qū)域要大;而當(dāng)泄漏口與廚房門異側(cè)時(shí),泄漏位置越低,距離障礙物越近,房間內(nèi)形成的爆炸區(qū)域越大。

3)有限空間內(nèi)障礙物高度對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散過程有重要影響,障礙物越高,形成的爆炸區(qū)域越大,可燃?xì)怏w越易堆積,越易發(fā)生危險(xiǎn)事故。

[1]李又綠,姚安林,李永杰.天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型研究[J].天然氣工業(yè),2004,24(8):102-104.

[2]張文艷,姚安林,李又綠,等.風(fēng)力對(duì)天然氣管道泄漏后擴(kuò)散過程的影響研究[J].天然氣工業(yè),2006,26(12):150-152.

[3]楊昭,賴建波,韓金麗.天然氣管道氣體泄漏擴(kuò)散過程研究[J].天然氣工業(yè),2007,27(7):97-99.

[4]劉延雷,鄭津洋,趙永志,等.障礙物對(duì)管道天然氣泄漏擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2007,20(4):81-84.

[5]孟志鵬,王淑蘭,丁信偉.障礙物附近可燃性氣體泄漏擴(kuò)散的三維數(shù)值模擬[J].化工裝備技術(shù),2007,28(2):74-78.

[6]DONG YU HUA,GAO HUILIN,ZHOU J ING,et al. Mathematical modeling of gas release through holes in pipelines[J].Chemical Engineering Journal,2003,92(1/3):237-241.

(修改回稿日期 2010-03-30 編輯 趙 勤)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE5,pp.123-128,5/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

A double-edged sword of the discarded edible oils:H armful pollutants or resources utilization

Yao Zhilong,Min Enze(Academician of Chinese Academy of Engineering and Sciences)
(Beijing Institute ofPetrochemical Technology,Beijing102617,China)

The discarded edible oils refer to the waste oils and fats without any edible values,including slop oil from restaurants(the so-called hogwash oil,waste restaurant grease,or swill),soapstock,and oily water,etc.Those waste oils contain a great volume of carbon-containing organic matters such as fatty acids,resulting in their dual characters:becoming pollutants to environment or being recycled to be used as chemical materials.The waste oils can be recycled as an alternative oil resource for the important materials of biodiesel,surfactant,fine chemicals and bulk chemicals.On the contrary,those waste oils,if not being carefully dealt with,will become harmful to environment and human beings.Therefore,this paper introduces how harmful the waste oils are and how to recycle those waste oils for chemical production of non-phosphate laundry powder,biodemulsifier,fatty acids,and fatty acid methyl ester (biodiesel).

the discarded edible oils,hogwash oil,harm,resource utilization,non-phosphate laundry powder,biodemulsifier,fatty acid,biodiesel

book=5,ebook=571

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.031

國(guó)家自然科學(xué)基金“室內(nèi)燃?xì)庑孤┬纬煽扇紳舛葓?chǎng)變化規(guī)律的研究”(編號(hào):50878122)的部分成果。

薛海強(qiáng),1984年生,碩士研究生;從事燃?xì)廨斉浼皯?yīng)用的研究工作。地址:(250101)山東省濟(jì)南市臨港開發(fā)區(qū)鳳鳴路山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院。電話:(0531)86367331,13606374938。E-mail:xuehaiqiang2009@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.032

Yao Zhilong,researcher,was born in1971.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in biobased-chemical utilization technology and petrochemical research and development.

Add:No.19,North Qingyuan Rd.,Daxing District,Huangcun,Beijing102617,P.R.China