重氣泄露擴散研究進展

， ， (云南省環境監測中心站，云南 昆明 650034)

重氣泄露擴散研究進展

劉宏浩，邱飛，向峰
(云南省環境監測中心站，云南 昆明 650034)

介紹了重氣擴散的主要研究方法和國內外主要研究進展。認為目前國內使用的重氣泄露擴散模型主要是國外的一些模型，在模型的選取方面應該更加貼近實際情況，根據我國的地形氣象特征，選取適合的符合我國環境條件的模型，并對相關模型參數以實際條件為基礎進行改進和優化；傳統的研究手段或方法應該更新或改進，使研究取得的數據更加真實可靠，研究結論更加科學可信。

重氣；擴散規律；研究進展；綜述

0 引言

石油化工行業作為基礎性產業,為我國的農業、建筑、能源等各行各業提供支持。石油化工行業選擇不同原料生產加工產品，這些產品中含有不同成分的易燃易爆、有毒或腐蝕性等物質。這些物質在儲存及運輸時存在安全隱患。如果這些物質由于某些原因泄漏出來，形成的氣態物質密度大于空氣密度，立刻會在大氣中形成比空氣重的重氣。主要包括：液氨、硫化氫、氟化氫等。

重氣泄漏后受環境因素的影響較大，如風速、地形、天氣、空氣濕度等[1]。泄漏的重氣由于自身物理化學性質和外界條件的共同作用，垂直方向上在地面的濃度最大，且沿地表移動一段距離后靠地面的濃度不會明顯減小。重氣中含有的危險化學物質成分泄露到周邊環境特別是地形復雜區難擴散、在居民區難消除，容易造成人員中毒受傷甚至引發火災爆炸等重大的安全事故。國內外曾因危險化學物質泄漏發生過很多次重大事故，給國家和人民的生命財產安全帶來極大損害。為預防重氣泄露事故的發生及減少其可能產生的相對影響，提高安全性，有必要針對重氣擴散進行深入研究。本文綜述了重氣泄漏擴散試驗的研究方法和途徑，總結了國內外研究現狀及進展，分析了存在問題及未來研究趨勢，旨在為重氣泄露擴散研究積累基礎資料。

1 現場試驗

重氣擴散模式研究采用的最基本和最直接的方法是現場試驗。試驗模擬場景與事故泄漏現場在泄露物質情況、外部的地形、天氣等各方面因素及數據必須真實可靠，重現性好。現場試驗重點模擬實際情形下重氣的擴散規律、相關的安全性能以及相應的應急措施現場研究，通過實驗可以觀察到一些事故中沒有發現的現象，可為預防事件的發生提供有效的試驗數據，減少危險性。到1980年現場試驗的研究規模空前盛大，也取得了相應的成果，主要研究的重氣包括：石化天然氣、液化石油氣、液氨、氟化氫等。1980年，Burro Coyote試驗在美國加州的China Lake由國家實驗室Lawrence Livermore進行，通過液化天然氣在水面上液池的蒸發擴散，在下風向距離泄露源 57m、140m、800m處分別檢測天然氣的濃度，對多組實驗進行模擬對比，試驗觀察到蒸發擴散氣體的前端出現分叉現象。1980年9月—1981年在英國國家海洋研究所MaplinSands進行的系列實驗，通過連續和瞬時的泄露液化天然氣和液化石油氣來研究重氣云團的熱通量和氣體的濃度，實驗時泄露的液化天然氣和液化石油氣的體積范圍為6～22m3及8～27m3，最大泄放速度分別為4.8m3/min和4.3m3/min。1982—1984年美國健康安全執行局進行的Thorney Islalnd試驗，選擇氟利昂和氮氣的混合氣作為介質在常溫條件下利用混合氣在現場瞬時釋放進行試驗，研究3種條件下2000m3重氣可燃氣體釋放后的擴散分布。之后的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Desert Tortoise試驗選取介質為液氨，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和Amoco oil公司Goldfish試驗選取介質為液態無水HF，分別對擴散情況進行研究。從20世紀90年代開始現場試驗研究相對較少。

現場試驗是將事故發生的場景進行重現，真實度高，實驗數據可靠。但是現場試驗組織一次需要大量人力、物力、財力和時間來做支撐，特別在地形較復雜時，現場氣象具有很大隨機性，較難實現重現，人為改變和控制性難，實驗在實際發生時可重復性、規律性差，實際應用性低，還會遇到難以預料和估計的困難。20世紀末現場試驗基本停止。

縮尺現場試驗法是一種簡化的實驗方法，是將實際情形縮小在野外進行。在滿足相似準則的前提下，以真實的地形和氣象條件為基礎進行現場試驗，再根據縮小比例按照相似條件進行換算。縮尺試驗與現場試驗相比較，實驗需要的材料用量、人力、財力等相對較少，能節約成本，同時實驗時在最大程度上減小釋放物對環境帶來的影響，特別是在一些危險性較高的重氣實驗時能減少潛在的風險。此法同樣遵循相似條件，在釋放源條件滿足相似的基礎之上，地形氣象條件完全滿足相似，實驗結果在一定程度上能反應區域真實流場規律。但是其根本缺點在于試驗的重復性差，實驗的精準度達不到現場試驗水平。

2 實驗室模擬試驗

實驗室模擬試驗是重氣擴散不同于現場試驗研究的主要手段，是在不同的氣象條件和地形狀況下，在水槽或風洞中模擬研究危險重氣擴散。實驗室模擬試驗可調控影響因素，模擬可能出現的重氣泄露場景，具有重復性高、監測效果好、具有實際的指導作用、應用性強等特點。實驗室模擬在試驗中易觀測氣體物理擴散過程中的各種情況，并能得到擴散各個階段的數據，可對數據進行利用和建立相對的擴散模型。

2.1 水槽模擬

水槽模擬試驗是將清水中不含氣體且不同密度的鹽水注入到水槽中，鹽水在槽中的水擴散過程中形成穩定的邊界層，通過鹽水在水中的流動類似于氣體泄露擴散現象來進行對比模擬。水槽模擬試驗可清晰、直接地觀測到鹽水的擴散現象，并能實時監測到鹽水液體的流動速度、密度等，對各個擴散階段能直觀地拍照記錄；該試驗使用鹽水代替重氣對環境無污染、無毒性，對實驗者無傷害。由于鹽水試驗和重氣的泄露擴散在源強分布G、雷諾數Re、弗勞得數Fr、施密特數Se等系數分別對應相等，物理條件和幾何空間、狀態以及試驗過程和結果類似，因此通過鹽水的水槽試驗來說明重氣泄露擴散具有可替代性。在水槽中可設置和泄露現場相似的外界條件，得到相應的試驗數據，提供研究方法和研究途徑。

2.2 風洞模擬

風洞是通過人工產生和控制各種物理條件，模擬飛行器運動和周圍氣流狀態，研究氣流對物體的作用及觀察的一種試驗設備。在風洞中研究流體力學和模型的作用，了解風洞內部的空氣動力學特性，同時可以模擬氣體在自然條件下的擴散。風洞模擬隨著航空事業的發展逐漸發展起來，隨著科學技術和工業的發展，風洞實驗技術迅速地向許多非航空領域擴展，滲透到各種流體動力學領域，出現了許多非航空風洞。環境風洞就是非航空風洞中最重要的一種。風洞模擬是研究區域流場及污染物擴散特征的一種重要手段。其優點是實驗條件可控，重復性好，費用相對現場試驗較低，能夠直觀地模擬現場流場。風洞模擬時，研究的原型和模型物的相似度影響試驗結果的可靠性。風洞試驗模擬選取適當的模型比例對是否能較好地重現重氣泄露現場氣體流動特性的研究、試驗數據的轉換和科學計算及可能造成的影響和傷害有著非常重要的作用。

1982年，Merony[2]用風洞模擬試驗模擬弗勞得數Fr，同時為了增大風速使弗勞得數滿足試驗中重氣體的密度，全面釋放氣體擴散。試驗受到風洞設備和氣體等的限制。模擬試驗是為了預測有害化學物質丙烷、丁烷、氯、液化天然氣、氟利昂等排放到地球邊界層的影響。1986年Krogstad[3]等試驗研究了邊球形狀連續釋放的煙羽云，其中心線和云的邊緣都有很強的濃度梯度，云的形狀通過速度和濃度來記錄，建筑物的模型被置入其中，通過與模型的相互作用研究對煙羽云的改變影響，且剪切流的障礙物底部發現的馬蹄形渦流系統，將墻壁的濃度降低到非常低的水平，體積都低于2%。表明該效果取決于云與模型高度的比值。1991年，Koning-Langlo[4]等研究了瞬時的離散情況，以及連續釋放到邊界層的剪切流擾動和不受表面障礙的干擾。通過對源參數的修改，對擴散云的熱力學影響進行了分析，描述了在不利大氣條件下，比空氣重的氣體更低的可燃性距離的測定方法。 1993年，chatzman[5]通過風洞試驗研究確定氣體噴射密度比空氣密度大的分布特征，用照相法和濃度測量法對射流擴散進行了研究。結果對比表明最顯著的差異是在高密度的弗魯德數。1996年，Sweatman[6]等研究瞬間釋放致密氣體云所產生的劑量具有的實際重要性，測量暴露的有害影響。

國內張啟平[7]利用神經網絡元網絡功能進行仿真對重氣擴散過程進行模擬。胡世明[8]等采用現場試驗對重氣擴散數據與擴散模型模擬進行了對比驗證。張朝能[9]對重氣濃度采用三維計算流體力學，并進行場景網格劃分，說明邊界條件，使用Gambit虛擬功能，生成網格，再運用Fluent數字模擬，重氣擴散過程采用SIMPLE算法，對不同因素風洞試驗中的觀測點的風速與高度變化規律和濃度進行驗證。試驗結論為重氣擴散過程中重氣效應明顯，重氣濃度差異較大；是在控制的泄放質量流率等試驗條件不變的情況下，湍流擴散系數與地面粗糙度、下風距離、大氣穩定度、大氣壓和氣溫共同影響作用的。姜傳勝[10]等在風洞中連續對重氣的泄露與SLAB重氣擴散模型進行數值模擬得出的結果基本吻合，在擴散試驗時近源區存在交叉現象。

3 模型研究

模型作為一種重要的評估工具被用于城市空氣質量評估，為污染控制戰略及決策制定提供支持。重氣擴散模型通過數學建模，成為分析重氣泄露污染、對環境空氣質量進行定量和定性研究的重要手段，是試驗和模擬大氣污染物時空分布的主要工具，為在泄露發生時應急防護提供理論支持，也是制定法規與控制對策的理論依據。

20世紀70、80年代，國外就開始了對重氣泄露擴散方面的一系列研究，開展了大量不同重氣的現場實驗，為重氣擴散的理論建立提供了可靠數據，因此而得出和建立了多種重氣擴散模型。從20世紀70年代起，國外根據現場試驗相繼建立和不斷完善了一系列的重氣擴散過程分析模型。Van Ulden[11]提出了箱模型，Manju[12]進行開發和驗證并計算效率稠密氣體分散模型用于應急，IIT重氣體模型I和II為瞬時和持續濃密的大氣中有毒物質，強調對相關領域模型驗證與性能試驗數據及其他模型進行對比。

國內對重氣擴散數學模型的研究起步較晚。1996年原化工部勞動保護研究所運用實驗數據、物理模擬和數學模擬開發HLY模型及計算機仿真，建立模擬和管理系統[13]。潘旭海[14]等對重氣團泄露擴散采用插分和牛頓迭代法進行試驗模擬，且試驗和模型模擬對比分析誤差較小，證明重氣瞬時泄露擴散模型的模擬精準度高。鄭遠攀[15]對國內外現有的模型進行總結，并指出國內現有提高的模型，并需要特定的數學全過程模擬、與GIS和GIS系統融合使模型更加具有實用性。李劍峰[16]等研究山地如何選擇湍流模型，試驗以ANAYS的FLUENT進行大范圍重氣擴散數值模擬。朱紅萍[17]以VisualBasic和Fortran為語言工具，在TECPLOT平臺上進行圖形可視化輸出，建立了模型SLAB的重氣泄露評估致死區、重傷區、輕傷區和吸入反應區的后果和重氣理化參數信息庫，表現出不同區域的危害，能為事故的預防、發生等提供重要作用，提高參考價值。

4 結論及建議

目前國內使用的重氣泄露擴散模型主要是國外的一些模型，引入國外模型的本土優化是一個重要的課題。此外，人類對大氣物理、大氣化學等自然現象的認知水平有限，實驗、觀測、分析技術手段不足，模擬結果與真實值難免存在誤差，今后在模型的選取方面應該更加貼近實際情況，根據我國的地形氣象特征，選取適合的符合我國環境條件的模型，并對相關模型參數以實際條件為基礎進行不斷改進和優化。在越來越多新興技術的發展前提下，傳統的對重氣泄漏擴散規律的研究手段或方法應該進行更新或改進，使研究取得的數據更加真實可靠，研究結論更加科學可信。

[1]SHAO Hui. Simulative research on diffusion process of major leakage in chemical industry[J]. Journal of Jiangsu Polytechnic University, 2006, 18(2): 26-28．

[2]Meroney R N. Wind-tunnel experiments on dense gas dispersion[J]. Journal of Hazardous Materials, 1982, 6(1): 85-106.

[3]Krogstad P A, Pettersen R M. Windtunnel modelling of a release of a heavy gas near a building[J]. Atmospheric Environment (1967), 1986, 20(5): 867-878.

[4]K?nig-Langlo G, Schatzmann M. Wind tunnel modeling of heavy gas dispersion[J]. Atmospheric Environment. Part A. General Topics, 1991, 25(7): 1189-1198.

[5]Schatzmann M, Snyder W H, Lawson R E. Experiments with heavy gas jets in laminar and turbulent cross-flows[J]. Atmospheric Environment. Part A. General Topics, 1993, 27(7): 1105-1116.

[6]Sweatman W L, Chatwin P C. Dosages from instantaneous releases of dense gases in wind tunnels and into a neutrally stable atmosphere[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1996, 77(3-4): 211-231.

[7]張啟平, 呂武軒. 突發性危險氣體泄放過程智能仿真[J]. 中國安全科學學報, 1998, 8(6): 35-39.

[8]胡世明, 魏利軍. 危險物質意外泄漏的重氣擴散數學模擬 (1)[J]. 勞動保護科學技術, 2000, 20(2): 31-34.

[9]張朝能, 寧平, 馬彩霞. 重氣泄漏擴散的影響因素分析[J]. 武漢理工大學學報, 2010 (5): 97-100.

[10]姜傳勝, 丁輝, 劉國梁, 等. 重氣連續泄漏擴散的風洞模擬實驗與數值模擬結果對比分析[J]. 中國安全科學學報, 2003, 13(2): 8-13.

[11]Van Ulden A P. On the spreading of a heavy gas released near the ground[C]//Proceedings Int. Loss Prevention Symp. 1974: 221-226.

[12]Mohan M, Panwar T S, Singh M P. Development of dense gas dispersion model for emergency preparedness[J]. Atmospheric Environment, 1995, 29(16): 2075-2087.

[13]張維凡, 張希賢. 重要有毒物質泄漏擴散模型研究[J]. 化工勞動保護: 安全技術與管理分冊, 1996 (3): 1-19.

[14]潘旭海, 蔣軍成. 重氣云團瞬時泄漏擴散的數值模擬研究[J]. 化學工程, 2003, 31(1): 35-39.

[15]鄭遠攀. 工業危險物質 (重氣) 擴散數學模型研究綜述[J]. 安全與環境學報, 2008, 8(3): 106-110.

[16]李劍峰, 劉茂, 王靖文. 山地地形重氣擴散模擬中湍流模型的選擇[J]. 安全與環境學報, 2008, 8(4): 118-124.

[17]朱紅萍, 羅艾民, 李潤求. 重氣泄漏擴散事故后果評估系統研究[J]. 中國安全科學學報, 2009, 19(5): 119-124.

ResearchProgressofHeavyGasLeakage

LIU Hong-hao, QIU Fei, XIANG Feng
(Yunnan Environmental Monitoring Center, Kunming Yunnan 650034 ,China)

Heavy gas diffusion was reviewed as well as the main research methods and research progress both at home and abroad. At present, most heavy gas diffusion models came from other countries. More suitable models that fitted to China's environmental situations should be improved based on China's geography and climate. The traditional research method needed to be innovated in order to obtain more real and accurate data and scientific conclusions.

heavy gas; regularity of diffusion; research progress; summary

2017-05-11

X16

A

1673-9655(2017)06-0064-04