隧道內(nèi)甲醇液體蒸發(fā)及蒸氣擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬分析*

陳長坤,王瑋玉,2,劉晅亞

(1.中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所, 湖南 長沙 410075；2.中國長江三峽集團(tuán)公司， 湖北 宜昌 443002；3.建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300381)

數(shù)字出版日期： 2017-12-19

0　引言

社會(huì)的進(jìn)步對危化品的分配提出了更高的要求，但復(fù)雜的運(yùn)輸條件給危化品的分配也帶來一定程度的不安全，比如易燃液體泄漏事故，不僅有易燃液體的泄漏，還存在其蒸氣的擴(kuò)散。

國內(nèi)外學(xué)者針對危化品的泄漏蒸發(fā)及蒸氣擴(kuò)散進(jìn)行了大量研究，較為著名的實(shí)驗(yàn)研究包括由美國能源部組織的歷時(shí)6年的Burro實(shí)驗(yàn)、由英國HSE組織的Thorney Island實(shí)驗(yàn)、Shell泄放實(shí)驗(yàn)等[1-3]；Hansen、Sun等人結(jié)合Burro實(shí)驗(yàn)對危化品的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了持續(xù)研究[4-5]；Giannissi等人采用CFD和實(shí)驗(yàn)的方法研究了LNG泄漏擴(kuò)散，結(jié)果表明CFD軟件對泄漏擴(kuò)散的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合[6]；He等人對受限空間內(nèi)的蒸汽云的形成進(jìn)行了研究，并提出了液氣轉(zhuǎn)化模型[7]；Jang等人采用CFD方法從蒸氣擴(kuò)散和溫度變化2個(gè)方面對LNG罐體事故性泄漏進(jìn)行了研究，得到了較為有價(jià)值的研究成果[8]。在國內(nèi)，劉國梁等人采用模擬實(shí)驗(yàn)的方法研究了障礙物對有毒有害氣體擴(kuò)散分布規(guī)律的影響[9]；王文和、張江華、孫莉等人從多方面系統(tǒng)分析了國內(nèi)外危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏擴(kuò)散方面的研究，并提出了現(xiàn)存的問題進(jìn)一步研究的框架[10-12]；姚志強(qiáng)、翟美玉、鄭茂輝等人考慮障礙物、風(fēng)速、泄露口形狀等因素，對危化品泄露擴(kuò)散的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[13-15]；周寧等人應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法，以CO2作為研究對象，研究了氣體擴(kuò)散的影響因素[16]。

以上學(xué)者對危化品在開放空間的泄漏擴(kuò)散研究較為深入，但對于運(yùn)輸過程中的隧道內(nèi)易燃液體泄漏后蒸發(fā)及蒸氣擴(kuò)散的研究鮮有涉及，隧道的半封閉狹長空間結(jié)構(gòu)對易燃液體蒸氣的擴(kuò)散極為不利，因此有必要對隧道內(nèi)易燃液體泄漏后蒸氣的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，為該類事故的處置提供一定的理論指導(dǎo)。

1　模型建立

1.1　隧道模型

運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算，采用三維模型，長、寬、高分別為30，8，6.65 m，泄漏車輛位于隧道中央，車輛尺寸為8.5 m(長)×2.5 m(高)×3 m(寬)，車輛底部高度為0.5 m，易燃液體淺液池位于車輛后側(cè)，為簡化計(jì)算，考慮淺液池呈圓形，直徑為3 m，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。對隧道內(nèi)的蒸氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，水平方向上監(jiān)測線標(biāo)記為A～G層，其中A～D每層3處，垂直方向上共4處，位于隧道縱向中面上，以車輛為中心對稱布置，分別為兩側(cè)隧道口和車輛前、后方，記為I，K，L，N，其中監(jiān)測位置L位于淺液池中心處，具體布置如圖1所示。

圖1　計(jì)算模型及監(jiān)測位置示意Fig. 1　Layout diagram of model and vapor monitoring location

1.2　工況設(shè)置及邊界條件

工況設(shè)置為無風(fēng)條件下易燃液體自然蒸發(fā)及其蒸氣的擴(kuò)散。易燃液體采用甲醇，隧道兩側(cè)洞口為壓力出口，環(huán)境溫度為25 ℃，淺液池液面與空氣對流換熱為8 W/(m2·K)，液體與地面對流換熱為10 W/(m2·K)。

James G. Quintiere等認(rèn)為液池較深時(shí)把液體的蒸發(fā)過程看作低質(zhì)量一維穩(wěn)態(tài)流，質(zhì)量蒸發(fā)速率為[17]：

(1)

式中：mg為液體蒸發(fā)質(zhì)量流量，g/(m2·s)；Tb為初始溫度，K；Ts為蒸發(fā)溫度，K；h為液體與空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hfg為氣化熱，J/g。

而在實(shí)際中，在平整的地面上泄漏液體流淌形成的液池較淺(此時(shí)Tb=Ts)，James G. Quintiere等學(xué)者引入液體與地面的對流換熱系數(shù)hL[17]，則有：

mghfg=h(T∞-Ts)+hL(TD-Ts)

(2)

式中：T∞為環(huán)境溫度，K；TD為地面溫度，K。

因此，(1)式和(2)式聯(lián)立可得關(guān)于Ts的表達(dá)式：

(3)

式(3)即為地面淺液池表面溫度計(jì)算式，根據(jù)上述邊界條件，通過MATLAB計(jì)算可得到Ts=271.8 K，結(jié)合式(1)即可得到該條件下淺液池質(zhì)量蒸發(fā)速率為0.431 3 g/(m2·s)。

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1　蒸氣分布分層基本規(guī)律

圖2和圖3分別為隧道內(nèi)甲醇蒸氣質(zhì)量濃度達(dá)到1%和6.5%的等值面圖(甲醇蒸氣爆炸下限體積分?jǐn)?shù)為6%，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%。從圖2可以看出，60 s時(shí)刻時(shí)，蒸氣擴(kuò)散至隧道頂部，在100 s時(shí)刻時(shí)，蒸氣擴(kuò)散至右側(cè)隧道口附近；由于液池左側(cè)有障礙車輛的阻擋，隧道左側(cè)的蒸氣分布區(qū)域明顯小于右側(cè)，且分布高度也略低于右側(cè)。由圖3可以看出，甲醇蒸氣濃度達(dá)到爆炸極限的分布層高度較低，在40～60 s時(shí)間段內(nèi)車輛底部蒸氣分布區(qū)域較大，說明車輛底部更為狹小的空間產(chǎn)生了蒸氣積聚現(xiàn)象，100 s時(shí)顯示蒸氣分布向隧道口移動(dòng)，120 s時(shí)刻，隧道口附近部分區(qū)域蒸氣濃度也達(dá)到了爆炸極限，說明蒸氣不只存在于液池附近位置，隧道內(nèi)甲醇蒸氣分布不穩(wěn)定，且擴(kuò)散范圍較廣。

圖2　甲醇蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%等值面Fig. 2　Contour surface of vapor mass fraction (1%)

圖3　甲醇蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%等值面Fig. 3　Contour surface of vapor mass fraction (6.5%)

2.2　水平方向上監(jiān)測位置蒸氣濃度變化分析

圖4給出了A，C，D 3個(gè)監(jiān)測位置的甲醇蒸氣濃度隨時(shí)間變化的曲線。由圖4(a)可以看出，3個(gè)位置均出現(xiàn)了甲醇蒸氣濃度超過爆炸極限的現(xiàn)象，圖4(b)顯示h=1.0 m的高度層上最大蒸氣濃度較為接近但均未達(dá)到爆炸極限，而由圖4(c)可以看出在h=1.5 m的高度上，隧道空間中甲醇蒸氣的濃度基本維持在3%左右，這說明甲醇蒸氣主要集中在距離地面1 m以下的位置，在泄漏源上方、車輛底部、車輛兩側(cè)等位置，均可能出現(xiàn)蒸氣接近或超過爆炸極限的區(qū)域，屬于危險(xiǎn)區(qū)域，而在1 m以上的空間中甲醇蒸氣濃度相對較低。綜合圖4(a)，(b)，(c)，在3個(gè)監(jiān)測高度層上，均存在2個(gè)甲醇蒸氣濃度峰值(車輛遮擋情況除外)，對應(yīng)位置分別為車輛位置(底部和兩側(cè))、蒸發(fā)源上方，表明這2個(gè)位置出現(xiàn)了蒸氣積聚現(xiàn)象，車輛的存在是該位置產(chǎn)生蒸氣積聚的直接原因，也說明了障礙車輛對蒸氣的擴(kuò)散產(chǎn)生了不利影響。

圖4　A，C，D監(jiān)測位置甲醇蒸氣濃度變化Fig. 4　Change of methanol vapor concentration of monitor Location A, C, D

圖5給出了隧道內(nèi)高度分別為3，4，5 m處的甲醇蒸氣濃度隨時(shí)間變化的曲線。可以看出隧道內(nèi)3 m以上空間中甲醇蒸氣濃度均未超過2%，表明隧道內(nèi)中上部并未產(chǎn)生蒸氣的積聚，這是因?yàn)榧状颊魵夥肿恿柯源笥诳諝猓圆灰讛U(kuò)散至較高位置，且隧道口位置較近，有利于擴(kuò)散；圖5還顯示高度為4 m和5 m時(shí)，車輛上方蒸氣濃度大于蒸發(fā)源上方，這也說明了事故車輛的存在對蒸氣的擴(kuò)散產(chǎn)生了較大影響。

圖5　E，F(xiàn)，G監(jiān)測位置甲醇蒸氣濃度變化Fig. 5　Change of methanol vapor concentration of monitor Location E, F, G

2.3　豎直方向上監(jiān)測位置蒸氣濃度變化分析

圖6為垂直方向上的甲醇蒸氣濃度監(jiān)測結(jié)果。可以看出，兩側(cè)隧道口處甲醇蒸氣濃度均低于0.1%，但右側(cè)隧道口處高于左側(cè)，且右側(cè)隧道口處地面也存在一定量的蒸氣，表明車輛對蒸氣向左側(cè)的擴(kuò)散產(chǎn)生了阻礙作用；結(jié)合I，N，K位置的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)3～6 m的高度區(qū)間內(nèi)濃度相對較高，而隧道中下部蒸氣濃度則很低；另外由圖6(d)可以看出，淺液池上方蒸氣濃度明顯較高，1 m以下的空間中已達(dá)到爆炸極限，1 m上部的空間濃度也達(dá)到了5%。

圖6　I，K，L，N監(jiān)測位置甲醇蒸氣濃度變化Fig. 6　Change of methanol vapor concentration of monitor Location I, K, L, N

圖7　隧道縱向中央截面甲醇蒸氣濃度變化Fig. 7　Methanol vapor concentration changes on the tunnel longitudinal central section

2.4　隧道內(nèi)縱向中央截面蒸氣濃度變化分析

由圖7可以看出，蒸氣在1 min左右時(shí)已擴(kuò)散至車輛上方的隧道拱頂，90 s時(shí)蒸氣已擴(kuò)散至右側(cè)隧道口，2 min左右時(shí)蒸氣擴(kuò)散充滿了泄漏側(cè)的隧道空間；無風(fēng)條件下蒸氣擴(kuò)散時(shí)豎直截面上分層規(guī)律性較好，在遠(yuǎn)離泄漏源的位置，隧道拱頂?shù)恼魵鈹U(kuò)散速度要比下部空間快，但濃度較低。車輛的存在對蒸氣擴(kuò)散產(chǎn)生了較大影響，一方面車輛底部產(chǎn)生了蒸氣積聚，另一方面車輛上方位置濃度也較高，車輛左側(cè)隧道中下部空間基本無蒸氣擴(kuò)散，而上部空間存在蒸氣擴(kuò)散，且擴(kuò)散速度較快；另外，泄漏源上方以及右上方蒸氣濃度也較高，由于右側(cè)隧道口距離泄漏源較近，左側(cè)有障礙車輛的阻擋，因此蒸氣向右側(cè)擴(kuò)散蔓延比較快。

3　結(jié)論

1)甲醇的蒸發(fā)速率較快，淺液池產(chǎn)生的蒸氣量較大；液池附近位置以及車輛底部及兩側(cè)位置會(huì)出現(xiàn)甲醇蒸氣的積聚現(xiàn)象，濃度分層具有一定的規(guī)律性，縱截面濃度分層較為明顯，隧道口距離泄漏源距離較遠(yuǎn)時(shí)，對蒸氣的擴(kuò)散不利。

2)甲醇蒸氣主要分布于隧道中下部位置，尤其是距離地面1 m以下的空間，在泄漏源上方、車輛底部、車輛兩側(cè)均可能出現(xiàn)蒸氣接近或超過爆炸極限的區(qū)域，屬于危險(xiǎn)區(qū)域，而隧道內(nèi)1 m以上的空間中蒸氣濃度相對較低。

3)障礙車輛對隧道內(nèi)甲醇蒸氣的擴(kuò)散影響較大，一方面其導(dǎo)致了車輛底部和兩側(cè)較低位置蒸氣的積聚，另一方面阻礙了蒸氣向?qū)?cè)隧道口的擴(kuò)散，對蒸氣的擴(kuò)散產(chǎn)生了不利影響。

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