風速對煤氣泄露擴散影響的數值模擬

姚　娜　張云鵬　劉王政

(華北理工大學礦業(yè)工程學院)

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風速對煤氣泄露擴散影響的數值模擬

姚娜張云鵬劉王政

(華北理工大學礦業(yè)工程學院)

摘要運用CFD中流體力學數值模擬軟件Fluent，模擬了不同風速對煤氣泄漏擴散過程的影響，得到煤氣泄漏后CO濃度隨風速變化的擴散規(guī)律，及不同風速煤氣中毒范圍的作用效果，為煤氣泄漏救援提供了安全撤離的依據。

關鍵詞煤氣泄漏數值模擬中毒范圍

目前煤氣在各行業(yè)中被廣泛應用，例如鋼廠、化工、機械制造等，但煤氣中含有H2、CH4和CO，為易燃且有毒氣體，一旦發(fā)生泄漏，可引起中毒及燃爆。2005年，首鋼動力廠煤氣發(fā)生泄漏事故，導致11人死亡，多人重傷[1]。所以，研究風速對煤氣泄漏擴散規(guī)律的影響，對事故發(fā)生后人員的安全撤離具有實際意義。

Fluent是當前功能比較強大，在處理污染物擴散和風場變化的相關問題時，得到廣泛應用的計算流體力學軟件。在國外，Chang等研究人員運用Fluent對污染物在城市街區(qū)的擴散情況進行數值模擬，對比模擬結果與風洞實驗結果分析，兩結果的吻合性良好；國內學者在模擬有害氣體擴散方面應用Fluent也取得了一定成果[2]。因此，本文采用Fluent軟件模擬不同風速下煤氣泄漏擴散特點，制定安全撤離范圍。

1模型建立

以30 000 m3，高28 m，工作壓力4 kPa，直徑40 m 的焦爐煤氣柜為例[3]，根據人體吸入氣體的高度，泄漏口位置設在距地面高度為1.5 m處，計算區(qū)域為長600 m，寬200 m，高120 m的長方體。在長方體左側面距地面1.5 m高處設半徑約0.1 m的圓形作為質量入口，環(huán)境壓力為101 325 Pa，環(huán)境溫度為300 K，計算區(qū)域左平面設為速度入口，除地面以外，長方體其他區(qū)域面均設為自由出流[4]。根據要求劃分網格，設定邊界條件，最后文件以mesh格式輸出[5-6]。整個計算域如圖1所示。

圖1　泄露區(qū)域模型

2氣體泄漏量計算

在以往煤氣管道泄漏事故中，往往是管道壁出現孔口或裂縫，煤氣泄漏的速度與其在裂口的流動狀態(tài)及其釋放壓力等眾多因素相關，而流動狀態(tài)是最主要因素。所以，在統(tǒng)計煤氣柜氣體泄漏總量時，必須首先判斷泄漏時放出氣體的流動速度是聲速(超聲速)還是亞聲速。如果以聲速或者超聲速狀態(tài)流動，則稱其為臨界流；如果以亞聲速狀態(tài)流動，則稱其為次臨界流[7]。如果式(1)成立，則泄漏氣體屬于聲速流動狀態(tài)：

(1)

式中，P1為泄漏部位內部氣體壓力，Pa；P0為標準大氣壓，Pa；k為泄漏氣體的絕熱指數，為一定壓力下比熱容Cp與一定容積下比熱容Cv的比。

當煤氣柜泄漏氣體以聲速狀態(tài)泄漏時，其泄漏的速度為：

(2)

當煤氣柜泄漏氣體以亞聲速狀態(tài)泄漏時，其泄漏速度為：

(3)

式中，Q0為煤氣柜氣體泄漏相關速度，kg/s；Cd為煤氣柜泄漏氣體相關系數，當泄漏裂口形態(tài)為圓形時取Cd=1.00，三角形時取Cd=0.95，長方形時取Cd=0.90；k為泄漏氣體相關絕熱屬性指數，如果氣體分子為雙原子分子時取k=1.4，如果氣體分子為多原子氣體分子時，取k=1.29，如果氣體分子為單原子氣體分子時取k=1；A為裂口面積，m2；M為相對分子質量，kg/mol；P為容器壓力，Pa；T為氣體溫度，℃；R為理想狀態(tài)下氣體的普氏比例常數，8.314 J/(mol·k)。

隨著煤氣柜內氣體的泄漏，氣體在泄漏口的流動速度逐漸變化，泄漏速度的變化是非線性的，但可以用等效泄漏速度表示。

3Fluent求解

Fluent讀入mesh文件并檢查網格劃分情況，選擇Pressure Based求解器，選擇湍流模型k-epsilon(2eqn)，模型涵蓋的基本計算方程如下：

質量守恒方程：

(4)

動量控制方程：

(5)

組分傳輸方程：

(6)

4中毒區(qū)域劃分與模擬結果

根據煤氣(CO)毒性濃度，將其影響范圍劃分為3個區(qū)域：致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)[8]。根據劉祖德等的研究成果，參照世界各國及地區(qū)標準選取出3個臨界濃度，分別為致死區(qū)域外部氣體濃度值1 170 mg/m3、重傷區(qū)域外部氣體濃度值292.5 mg/m3和輕傷區(qū)域外部氣體濃度值58.5 mg/m3[9]。風速分別取0，2，4，6，8 m/s，在不同風速下，CO 3個臨界濃度危險區(qū)域云圖如圖2所示。

圖2　不同風速時CO濃度云圖

根據z=0平面上的plot圖表，以泄露點為起點，以臨界濃度邊界為半徑的最大中毒區(qū)域與風速的關系如表1所示。

表1　不同風速下各臨界濃度區(qū)域范圍

分析表1可知：風速為0時，擴散表現為在浮力的作用下上升并擴散，從云圖中可以看出，云圖縱向距離較大，風速增大時，擴散更多地表現為風對煤氣的平流輸送作用，所以橫向距離變大，縱向范圍減小；從 0 m/s增大到 8 m/s，致死區(qū)域的半徑并沒有發(fā)生很大的變化，在60 m左右波動，重傷區(qū)域大多在80 m波動，而輕傷區(qū)域半徑隨著風速的增大，其變化趨勢是先增大后減小。分析其原因可能是影響煤氣擴散過程的主要因素為射流動量、浮力、風速和時間。當煤氣柜出現破裂后，由于柜內壓力比外界大氣壓大很多，導致煤氣從氣柜內泄漏到柜外時的速度很大，瞬間噴射而出，此時沿泄漏初始方向的氣體與空氣混合后仍以較大的速度蔓延擴散，所以在這一初始擴散過程泄漏時，初始動量控制氣體擴散；擴散穩(wěn)定后，在60 m與80 m處形成渦旋，導致CO濃度基本保持不變，隨著噴射距離越來越大，氣體本身的速度逐漸下降，因為CO的密度與空氣相差不大，所以浮力的作用效果不明顯，相對來說風速開始占主導地位。隨著風速的增大，擴散范圍變大，說明風速在此時起到帶動作用，使同一地點CO濃度逐漸增大；當風速繼續(xù)增大時，輕傷區(qū)域范圍反而在逐漸減小，可能是因為風速在帶動CO向遠處擴散的同時，還起到了稀釋作用，而此時稀釋作用大于帶動作用。

5結論

運用Fluent模擬風速對煤氣擴散的影響規(guī)律。風速為0時，為浮力作用下的上升擴散表現明顯；風速較大時，風速對煤氣擴散的影響起平流輸送或稀釋有毒氣體的作用。

煤氣擴散在風速的作用下，致死區(qū)域半徑在60 m處波動；重傷區(qū)域在80 m處波動，煤氣泄漏初始速度大，風速對初始射流段的影響并不明顯，且在60 m與80 m處形成渦旋，其濃度變化不大。風速增大到2 m/s時，輕傷區(qū)域范圍增大，增大到4 m/s時，其范圍開始減小，隨著風速越來越大，輕傷區(qū)域范圍逐漸減小至330 m。根據模擬結果,如若發(fā)生泄漏事故進行救援時，安全撤退的距離可以以此為參考依據。

參考文獻

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[2]湯民波,周新明,王桂清.有風情況下氯氣泄漏擴散數值模擬研究[J].山東化工,2014(1):28-30.

[3]高炳志,鄭飛,李曉理,等.鋼鐵企業(yè)燃氣系統(tǒng)建模及調度研究[J].控制工程,2012(3):543-546，550.

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[6]朱劉英,彭天好,胡佑蘭.三維模型的差異對CFD計算結果影響的研究[J].機械設計與制造,2009(11):90-92.

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[8]劉曉君.開封市近60年溫度和降水年際變化分析[J].河南科學,2012(9):1327-1330.

[9]劉祖德,閆罡星,趙云勝.鋼鐵企業(yè)開放空間煤氣擴散規(guī)律研究[J].中國安全生產科學技術,2009(4):64-69.

(收稿日期2015-11-01)

Numerical Simulation on the Influence of Wind Speed to Gas Leakage Diffusion

Yao NaZhang YunpengLiu Wangzheng

(School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology)

AbstractThe influence regularity of different wind speed to gas leakage diffusion is numerical simulated based on the fluid mechanics numerical simulation software Fluent in CFD.The diffusion regularity of CO concentration change with wind speed after the gas leakage is obtained,besides that,the diffusion effects of the gas poisoning scope under the conditions of different wind speed is studied to provide the reference of safety evacuation for the gas leakage rescue.

KeywordsGas leakage, Numerical simulation, Poisoning scope

姚娜(1990—)，女，碩士研究生，063009 河北省唐山市新華西道46號。