危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的研究現(xiàn)狀分析

李江存 嚴(yán)坤 朱勇兵 李廷 王陽陽 杜鎮(zhèn)瀟 江丁洋

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生產(chǎn)和生活所需化學(xué)品的數(shù)量也在逐年上升，危險化學(xué)品泄漏事故呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的研究能為化學(xué)事故救援提供有效參考。本文主要介紹了發(fā)展比較成熟的幾類危險化學(xué)品泄漏模型，包括sutton模型、P-G模型、高斯模型、重氣模型等，分析對比幾種模型的優(yōu)缺點，闡述了危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散典型模型的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?；?泄漏擴(kuò)散模型 研究進(jìn)展

中圖分類號：D631 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（c）-0098-02

隨著化學(xué)工業(yè)的日益發(fā)展，危險化學(xué)品使用量也日益增加。危險化學(xué)品在生產(chǎn)、儲存及運輸中發(fā)生泄漏造成災(zāi)難性事件也隨之增加。危險化學(xué)品泄漏事故嚴(yán)重威脅著人民的生命和財產(chǎn)安全。本文對危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析比較，闡述典型模型在危險化學(xué)品泄漏事故及危害評估中的實際應(yīng)用，為此類事故應(yīng)急救援提供參考。

1 危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型研究現(xiàn)狀

國外對危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的研究始于20世紀(jì)70年代，直到現(xiàn)在擴(kuò)散模型的研究也很活躍。在此期間人們提出了許多數(shù)學(xué)模型，比較成熟的擴(kuò)散模型[1]包括Sutton模型、Pasquill-Gifford模型、高斯模型和重氣擴(kuò)散模型。我國在這方面起步較晚，直到20世紀(jì)90年代初期才開展此方面的研究并取得了一些成果。

Sutton模型[2]依據(jù)湍流擴(kuò)散統(tǒng)計理論，該模型最主要應(yīng)用在物質(zhì)的湍流擴(kuò)散的問題上。由于沒有考慮重力對擴(kuò)散過程的影響，所以該模型只適用于密度較小氣體的擴(kuò)散，另外該模型不適宜應(yīng)用在可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散，否則會出現(xiàn)較大誤差。在環(huán)保領(lǐng)域中Sutton模型也得到了廣泛的應(yīng)用。

Pasquill-Gifford模型即適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和初始條件的結(jié)合，作為一種中性浮力擴(kuò)散模型，Pasquill-Gifford模型可用于描述中等密度氣云的濃度分布。但是Pasquill-Gifford模型由于其自身局限性，在實際運用中受到了限制，但其所提出的擴(kuò)散系數(shù)方程得到了廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)在較為公認(rèn)的一種擴(kuò)散系數(shù)計算方法。

高斯模型[3，4]的基礎(chǔ)是湍流擴(kuò)散梯度理論。梯度理論采用歐拉法，討論空間固定點上由于湍流運動引起的質(zhì)量通量（污染的物濃度）的變化，湍流通量正比于該點的濃度梯度，比例系數(shù)稱為湍流擴(kuò)散系數(shù)，用常數(shù)K表示。依據(jù)是在風(fēng)速、氣流相對接近于穩(wěn)定和均勻的大氣條件下，物質(zhì)沿著風(fēng)向運動，然后再向各個方向擴(kuò)散，擴(kuò)散粒子位移的概率服從正態(tài)分布即高斯分布。具體包括高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型兩種。該模型適用于和空氣密度接近的氣體擴(kuò)散或者是在短時間內(nèi)與空氣混合后密度和空氣相近的氣云團(tuán)擴(kuò)散。由于該模型是最早開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，提出的時間早，被研究的次數(shù)多，研究得到的數(shù)據(jù)量大，已經(jīng)是一個較完善實用的大氣擴(kuò)散模型。

重氣擴(kuò)散模型包括唯像模型、淺層模型、三維模型。唯象模型是R.E.Britten和Mc-Quaid[5]在收集了大量重氣擴(kuò)散的實驗室和現(xiàn)場實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上以無因次的形式將數(shù)據(jù)連線并繪制成與數(shù)據(jù)匹配的曲線或列線圖，也稱為經(jīng)驗方法，它很好地反映了重氣瞬時連續(xù)施放的規(guī)律。其中BM模型為其代表模型，BM模型是R.E.Britten和Mc-Quai[6]在《重氣擴(kuò)散手冊》中的推薦模型。已知泄漏物質(zhì)的部分參數(shù)，通過查詢該圖表可以得出泄漏物質(zhì)在某點的濃度。唯象模型的特點是計算簡便，精確度一般。

淺層模型，是以重氣擴(kuò)散的控制方程加以簡化來描述其物理過程，是對于三維模型和簡單箱模型的折中。淺層模型使用了淺層理論的近似值原理，假設(shè)在氣云主體內(nèi)，壓強(qiáng)分布可以用流體靜力學(xué)理論來描述，而這種現(xiàn)象是只在氣云前邊緣處才會出現(xiàn)的特殊情況。模型采用了厚度平均變量來描述流場特征，有利于考慮復(fù)雜地形的重氣擴(kuò)散情況。和一般模型相比，淺層模型可以更好地模擬復(fù)雜地形重氣的擴(kuò)散，近年來淺層模型進(jìn)一步開發(fā)已成為相關(guān)的研究熱點。

三維模型[7]是采用計算流體力學(xué)（CFD）方法對重氣擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，最終給出三維非定常態(tài)湍流流動過程。這種數(shù)值方法通過建立不同條件下的基本守恒方程，如質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分守恒方程，并結(jié)合初始條件和邊界條件，將數(shù)值計算理論和方法運用到計算過程中，進(jìn)而求解Naver-stokes方程，實現(xiàn)預(yù)報真實過程各種場的分布。近年通過不斷的研究和進(jìn)一步完善、改進(jìn)，模型已經(jīng)大范圍應(yīng)用在各種危險氣體的擴(kuò)散問題中。

2 危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的應(yīng)用

2.1 液氨泄漏事故的模擬分析

2012年潘旭海教授，根據(jù)高斯煙羽模型[8]，以氨氣連續(xù)泄漏擴(kuò)散為例，基于國內(nèi)評價標(biāo)準(zhǔn)，采用MATLAB數(shù)值分析法來實現(xiàn)對應(yīng)急區(qū)域和事故后果影響區(qū)域的劃分計算及繪圖。根據(jù)危險化學(xué)品中毒風(fēng)險劑量響應(yīng)模型以及通過概率函數(shù)法，計算出泄漏源下風(fēng)向人員中毒概率并繪制風(fēng)險云圖和人員致死概率圖。

2.2 高斯模型在確定泄漏事故中救援警戒區(qū)的應(yīng)用

2001年武警學(xué)院訓(xùn)練部應(yīng)用高斯擴(kuò)散模型[9]來估算連續(xù)點源泄漏事故的應(yīng)急救援警戒區(qū)。討論了常見危險化學(xué)品在不同大氣條件下發(fā)生泄漏事故時的成災(zāi)模型。并在離泄漏源一定距離處對有害物質(zhì)的濃度和不同傷害劑量的范圍進(jìn)行了估算，進(jìn)而探討了在發(fā)生化學(xué)事故后如何確定應(yīng)急救援警戒區(qū)，為消防部隊的救援行動提供理論參考。氣體潛在危險性范圍的劃定或應(yīng)急救援警戒區(qū)的確定，是依據(jù)氣體濃度和作用時間對人體的傷害程度來區(qū)分的。一般分為重、中、輕三個區(qū)域。重度區(qū)為半致死區(qū)，是由毒氣對人體的半致死劑量Lct50來確定；中度區(qū)為半失能區(qū)，由半失能劑量Ict50確定。

2.3 苯儲罐事故后果模擬計算與分析

2012年趙英程[10]對苯儲罐事故特性的分析，利用ALOHA軟用來模擬危險化學(xué)品泄漏后的毒氣擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸等產(chǎn)生的毒性、熱輻射和沖擊波等情景。

分析了不同場景下事故后果的嚴(yán)重程度，并根據(jù)事故后果進(jìn)行危險區(qū)域劃分。

2.4 三維大氣擴(kuò)散模型反化學(xué)恐怖危害評估

2004年黃順祥[11]針對恐怖分子襲擊化工廠及儲存庫等設(shè)施，建立了復(fù)雜地形上三維大氣擴(kuò)散模式，模擬流場、濃度場和各種劑量場，對事故目標(biāo)進(jìn)行危害評估，確定危害區(qū)域和危害程度。

2.5 三維模型在城市街區(qū)毒氣擴(kuò)散模擬中的應(yīng)用

2015年陳存楊，朱勇兵[12]為了對毒氣擴(kuò)散過程進(jìn)行及時、有效的模擬，利用三維模型（CFD），將開源計算流體動力學(xué)軟件OpenFOAM與PISO算法相結(jié)合，進(jìn)行城市街區(qū)毒氣擴(kuò)散模擬研究。以福州大學(xué)怡山校區(qū)為擴(kuò)散區(qū)虛擬地理環(huán)境，選用氯氣為假定毒氣，利用OpenFOAM對氯氣的擴(kuò)散傳播過程進(jìn)行了模擬，并與商用軟件FLUENT在相同條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。

3 結(jié)語

本文對比分析了?；沸孤U(kuò)散的幾種典型模型及模型實驗方法，重點介紹了擴(kuò)散模型在一些泄漏事故和大氣擴(kuò)散中的應(yīng)用。由于大氣湍流擴(kuò)散的復(fù)雜性，考慮實際情況需要對模型進(jìn)行修正，使其計算模擬結(jié)果更接近真實情況。同時隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，一些新的模型和模擬手段不斷出現(xiàn)。?；沸孤U(kuò)散模型的研究可為此類事的預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急救援提供指導(dǎo)和參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫莉，趙穎，曹飛，等.危險化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的研究現(xiàn)狀分析與比較[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2011，21（1）：37-42.

[2] 李云云.高斯煙云模型的改進(jìn)及在危化品泄漏事故模擬中的應(yīng)用[D].廣州大學(xué)，2013.

[3] 陳彥平.基于MATLAB的氨泄漏擴(kuò)散動態(tài)模擬研究[D].安徽理工大學(xué)，2016.

[4] 蔡鳳英，談宗山，孟赫，等.化工安全工程[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[5] Britter RE，McQuaid J.Workbook on the dispersion of dense gases[R].UK.1988.

[6] Markiewicz， MT.Mathematical modeling of the heavy gas atmospheric dispersion[Z].2007.

[7] 魏利軍，張政.重氣擴(kuò)散過程的數(shù)值模擬[J].北京化工，2004，1（1）：7-19.

[8] 華敏，尹新，潘旭海.氨氣泄漏事故應(yīng)急區(qū)域及中毒風(fēng)險的MATLAB分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（11）：5-6.

[9] 董希琳.常見有毒化學(xué)品泄漏事故模型及救援警戒區(qū)的確定[J].武警學(xué)院學(xué)報2001，6（4）：25-27.

[10]趙英程，田玉敏.苯儲罐事故后果模擬計算與分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報2013，13（2）：191-195.

[11]黃順祥，胡非，李昕，等.反化學(xué)恐怖危害評估[J].北京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，40（1）：121-128.

[12]陳存楊，朱勇兵，陳崇成，等.基于OpenFOAM 的城市街區(qū)毒氣擴(kuò)散模擬[J].環(huán)境科學(xué)研究，2015，28（5）：697-703.