化工廠火災(zāi)-泄漏耦合作用下氯氣擴(kuò)散的數(shù)值模擬

馬 力，何 松，牛 奕，李 乾，張 英，陳先鋒

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

在工廠潛在的安全隱患中，火災(zāi)是一種破壞力極強(qiáng)的災(zāi)害，它不僅會(huì)燒毀設(shè)備和建筑，還會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-2]。由于工業(yè)廠房的全尺寸火災(zāi)模擬具有破壞力強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)成本高、危險(xiǎn)性大等因素，因此采用FDS軟件對(duì)工業(yè)廠房大尺度的火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬是火災(zāi)研究的一種重要手段。考慮到工業(yè)園區(qū)內(nèi)廠房的實(shí)際情況，通過(guò)人為地控制不同的模擬參數(shù)，對(duì)研究火災(zāi)發(fā)展規(guī)律、指導(dǎo)安全防護(hù)工作具有重要意義。2000年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)[3]首次發(fā)布并開(kāi)放了模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算動(dòng)力學(xué)軟件——FDS(Fire Dynamics Simulator)，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化與改善，該軟件被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)場(chǎng)景的模擬。此外,國(guó)外學(xué)者針對(duì)大空間建筑的火災(zāi)提出了Zukoski模型、McCaffrey模型、Heskestad模型等火羽流模型[4-6]。2001年我國(guó)學(xué)者張培紅等[7]較早地對(duì)大型公共建筑物火災(zāi)時(shí)人員疏散行為規(guī)律進(jìn)行了模擬；隨后倪建生等[8]、宋波等[9]學(xué)者也分別通過(guò)FDS軟件對(duì)大空間建筑的火災(zāi)溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了一系列的研究。

工業(yè)廠房?jī)?nèi)有毒化學(xué)氣體的泄漏具有濃度高、毒性強(qiáng)、不易擴(kuò)散等特點(diǎn)。作為工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的化工原料，氯氣在塑料、漂白粉、有機(jī)氯化物的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大約有1/4左右的化工從業(yè)人員從事與氯氣相關(guān)的工作。作為重氣的一種，氯氣一旦泄漏，如果得不到控制，短時(shí)間內(nèi)會(huì)造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，開(kāi)展化工廠氯氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬研究對(duì)于事故救援及人員應(yīng)急疏散十分必要[11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了一系列的研究，提出了重氣擴(kuò)散的相關(guān)模型。如美國(guó)學(xué)者van Ulden[12]利用重氣云擴(kuò)散試驗(yàn)，首次提出了重氣擴(kuò)散的“箱模型”概念；美國(guó)能源部的勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了B&M模型[13]；美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)與氣體研究院提出了DEGADIS模型[14]；我國(guó)學(xué)者張維凡等[15]針對(duì)重氣的泄漏擴(kuò)散首次提出了HYL模型；此外丁信偉等[16]、孫寶江[17]通過(guò)對(duì)重氣泄漏擴(kuò)散模型進(jìn)行深入研究，總結(jié)了重氣泄漏擴(kuò)散的發(fā)生機(jī)理及其主要影響因素。

基于上述研究，本文采用FDS軟件分別對(duì)某化工廠氯氣(Cl2)泄漏、火災(zāi)和火災(zāi)-泄漏耦合條件下的氯氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。即通過(guò)分析常溫條件、火災(zāi)條件下氯氣泄漏的濃度分布，將兩種條件下氯氣的泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行了對(duì)比分析，找出氯氣在火災(zāi)條件下的泄漏擴(kuò)散規(guī)律；同時(shí)還對(duì)比分析了火災(zāi)條件、火災(zāi)-泄漏耦合條件下溫度的分布情況。危化品泄漏通常伴隨著火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生，本文通過(guò)研究火災(zāi)場(chǎng)景下有毒氣體泄漏事故，對(duì)指導(dǎo)人員逃生及事故應(yīng)急救援提供理論依據(jù)，具有重要的工程價(jià)值和社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

本文研究的對(duì)象是某氯堿工業(yè)化工廠車(chē)間，車(chē)間的尺寸為50 m×20 m×10 m(長(zhǎng)×寬×高)，其中X方向的長(zhǎng)度為50 m，Y方向的寬度為20 m，Z方向的高度為10 m;車(chē)間的四個(gè)側(cè)面的中間位置各有一個(gè)沿Z軸正方向的大門(mén)，尺寸為3 m×3 m;距廠房左側(cè)門(mén)內(nèi)部10 m處有一氯氣緩沖罐，高度為3 m、直徑為2 m，緩沖罐底部的中心坐標(biāo)為(11，10，0)，緩沖罐的設(shè)計(jì)壓力為0.5 MPa；緩沖罐由于腐蝕而發(fā)生泄漏，泄漏口位于緩沖罐的正上方，其大小尺寸為1 cm×1 cm，泄漏口中心坐標(biāo)為(11，10，3)；距儲(chǔ)罐右側(cè)3 m處有一火源，火源的大小尺寸為1 m×1 m，火源中心坐標(biāo)為(15.5，10，0)。本文在Y=10 m處設(shè)置了一處氯氣濃度監(jiān)測(cè)面，考慮到火源與泄漏口的相對(duì)距離，同時(shí)設(shè)置A(6，10，1.7)、B(12.5，10，1.7)、C(16，10，1.7)、D(26，10，1.7)、E(36，10，1.7)、F(50，10，1.7)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)間內(nèi)氯氣濃度和溫度的變化。其中，A、B、C、D、E、F6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于泄漏口左側(cè)5 m、泄漏口右側(cè)1.5 m、泄漏口右側(cè)5 m、泄漏口右側(cè)15 m、泄漏口右側(cè)25 m、右側(cè)出口的1.7 m高度處。某氯堿工業(yè)化工廠車(chē)間的幾何模型，見(jiàn)圖1。

圖1 某氯堿工業(yè)化工廠車(chē)間的幾何模型

1.2 模擬條件假設(shè)

模擬火災(zāi)條件下的氣體泄漏是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，本文通過(guò)FDS軟件對(duì)火災(zāi)和氯氣泄漏的模擬條件做出如下假設(shè)：

(1) 假定氯氣泄漏過(guò)程為持續(xù)性泄漏，泄漏口的大小及氯氣泄漏速度不隨時(shí)間的改變而發(fā)生變化。

(2) 假定火源為柴油，并且用C12H23來(lái)代替。

(3) 假定氯氣和空氣均為理想氣體，并且氯氣在泄漏過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橐馔舛l(fā)生爆炸。

1.3 數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)

火災(zāi)的燃燒是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，伴隨著化學(xué)反應(yīng)的傳熱和傳質(zhì)，隨著燃燒時(shí)間的增加，火源熱功率會(huì)不斷地增大，車(chē)間內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度都會(huì)不斷地發(fā)生變化。有毒化學(xué)氣體的泄漏擴(kuò)散過(guò)程也是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，噴射出來(lái)的高壓氣體與空氣混合后會(huì)形成湍流運(yùn)動(dòng)，由于泄漏口處的管道內(nèi)外壓力差較大，導(dǎo)致泄漏口處氣體的流速相對(duì)較大。因此，火災(zāi)和氣體泄漏過(guò)程都會(huì)發(fā)生與周?chē)h(huán)境的質(zhì)量、能量和動(dòng)量上的交換，火災(zāi)-泄漏耦合過(guò)程中的質(zhì)量、動(dòng)量、能量、組分和狀態(tài)守恒方程如下：

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

能量守恒方程為

(3)

組分運(yùn)輸方程為

(4)

狀態(tài)守恒方程為

(5)

FDS軟件采用的是基于大渦模擬的N-S方程來(lái)反映流體的湍流運(yùn)動(dòng)，該算法能顯示流體的預(yù)估-校正方案，在空間和時(shí)間上均為二階精度，其優(yōu)點(diǎn)是可以直接模擬大尺度湍流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以利用次網(wǎng)格模擬小尺度湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度湍流運(yùn)動(dòng)的影響。流體的湍流運(yùn)動(dòng)采用大渦模擬的N-S方程可表示如下：

(6)

由于本文模擬的是火災(zāi)-泄漏耦合環(huán)境，因此采用的燃燒模型是混合組分模型。該模型假設(shè)化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于組分混合的時(shí)間，所有的反應(yīng)物和產(chǎn)物均可由混合組分來(lái)描述：

VFFuel+VOO2→∑iVp,iProducts

(7)

式中：Vp,i為燃料完全燃燒時(shí)的化學(xué)恰當(dāng)比(i代表物種；p代表Product)。

1.4 主要參數(shù)的設(shè)置與網(wǎng)格劃分

假定該氯堿工業(yè)化工廠廠房左側(cè)門(mén)為空氣入口邊界，空氣流速為1 m/s；前門(mén)、后門(mén)和右側(cè)門(mén)為氯氣出口邊界，氯氣泄漏口的泄漏速度為5 m/s。合理地劃分網(wǎng)格對(duì)模擬結(jié)果起著重要的作用，本文對(duì)泄漏口及燃燒口處附近的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)目為672 648個(gè)。某氯堿化工廠車(chē)間的網(wǎng)格模型，見(jiàn)圖2。

圖2 某氯堿化工廠車(chē)間的網(wǎng)格模型

對(duì)于火災(zāi)條件下的火源功率的確定，本文采用普遍成熟的非穩(wěn)態(tài)t2熱釋放速率模型[18]，其數(shù)學(xué)公式為Q=αt2[其中，Q為火源功率(kW)；α為火災(zāi)燃燒熱釋放速率的增長(zhǎng)系數(shù)(kW/s2)；t為火災(zāi)發(fā)展時(shí)間(s)]?？紤]到本次模擬的化工廠廠房的尺度相對(duì)較大，假設(shè)其火災(zāi)類(lèi)型為極快速型火災(zāi)，火災(zāi)燃燒熱釋放速率的增長(zhǎng)系數(shù)α取值為0.187 8，火源功率Q在206 s左右達(dá)到峰值。根據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》，設(shè)置該化工廠內(nèi)火源功率為8 MW，模擬時(shí)的環(huán)境溫度為20 ℃，模擬時(shí)間T為1 200 s。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 氯氣泄漏條件下的模擬結(jié)果與分析

氯氣泄漏條件下不同時(shí)刻Y=10 m監(jiān)測(cè)面上氯氣濃度的分布,見(jiàn)圖3。

圖3 氯氣泄漏條件下不同時(shí)刻Y=10 m監(jiān)測(cè)面上氯氣濃度的分布

由圖3可見(jiàn)，小型儲(chǔ)罐泄漏的氯氣會(huì)在風(fēng)的作用下沿著地表向右擴(kuò)散，100 s時(shí)氯氣大約擴(kuò)散到了儲(chǔ)罐右側(cè)22 m;200 s時(shí)1 000 ppm(1 ppm=10-6)的氯氣濃度區(qū)域幾乎已經(jīng)擴(kuò)散到了右側(cè)出口處;300 s時(shí)泄漏口右側(cè)430 ppm的氯氣濃度區(qū)域均已經(jīng)擴(kuò)散到了1.7 m高度；600 s時(shí)隨著泄漏口右側(cè)氯氣濃度的增加，高濃度的氯氣不斷向上擴(kuò)散;1 200 s時(shí)泄漏口右側(cè)1.7 m高度的氯氣濃度幾乎都大于1 000 ppm。

氯氣泄漏條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氯氣濃度隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A由于離進(jìn)風(fēng)口較近，其氯氣濃度幾乎為0；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B由于在泄漏口的下方，其氯氣濃度在100 s時(shí)就已穩(wěn)定在22 000 ppm左右；300 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處的氯氣濃度已經(jīng)達(dá)到了1 000 ppm左右；監(jiān)測(cè)點(diǎn)D處的氯氣濃度出現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵诔跏茧A段，泄漏出來(lái)的氯氣相對(duì)較少，一部分氯氣在風(fēng)的作用下向前后兩側(cè)門(mén)附近擴(kuò)散，從而使監(jiān)測(cè)點(diǎn)D處的氯氣濃度降低，但隨著時(shí)間的增加，泄漏口附近累積的氯氣不斷增加，大部分氯氣向下風(fēng)向擴(kuò)散，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)D處的氯氣濃度不斷增加；500 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)E、F處的氯氣濃度幾乎也已達(dá)到1 000 ppm。

圖4 氯氣泄漏條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氯氣濃度隨時(shí)間的變化曲線

2.2 火災(zāi)條件下的模擬結(jié)果與分析

火災(zāi)條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 火災(zāi)條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線

由圖5可見(jiàn)，隨著火源功率的增大，廠房?jī)?nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度不斷升高，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)C在火焰的正上方，350 s時(shí)溫度可穩(wěn)定在1 080 ℃左右;監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處的溫度在400 s時(shí)升高到了100 ℃左右，且隨著時(shí)間的增加溫度最終穩(wěn)定在110 ℃左右；監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、D、E處的溫度在1 200 s時(shí)幾乎都穩(wěn)定在55 ℃左右，這是由于燃燒產(chǎn)生的高溫氣體不斷向上擴(kuò)散，到達(dá)廠房頂部后向四周擴(kuò)散，隨著時(shí)間的增加，聚集在廠房頂部的高溫氣體不斷向下擴(kuò)散，因此在距離火源較遠(yuǎn)的位置溫度相差不大；監(jiān)測(cè)點(diǎn)F由于處在右側(cè)出口位置，氣體溫度相對(duì)較低，可以達(dá)到33℃左右。

2.3 火災(zāi)-泄漏耦合條件下的模擬結(jié)果與分析

2.3.1 火災(zāi)-泄漏耦合條件下Y=10 m監(jiān)測(cè)面上氯氣濃度的分布

火災(zāi)-泄漏耦合條件下不同時(shí)刻Y=10 m監(jiān)測(cè)面上的氯氣泄漏擴(kuò)散濃度分布，見(jiàn)圖6。

圖6 火災(zāi)-泄漏耦合條件下不同時(shí)刻Y=10 m監(jiān)測(cè)面上氯氣泄漏濃度的分布

由圖6可見(jiàn)，100 s時(shí)，一部分氯氣透過(guò)火源向右側(cè)出口處擴(kuò)散，另一部分氯氣沿著火源左側(cè)向上擴(kuò)散;300 s時(shí)，透過(guò)火源向右側(cè)出口擴(kuò)散的氯氣逐漸減少，大部分高濃度氯氣聚集在泄漏口與火源之間，并隨著時(shí)間的增加不斷向上擴(kuò)散;600 s和1200 s時(shí)，除了火焰附近區(qū)域外，廠房?jī)?nèi)上部區(qū)域的氯氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于底部區(qū)域的氯氣濃度，這是由于在泄漏初期，氯氣沿著地面擴(kuò)散到火源附近，火源產(chǎn)生的高溫和熱浮力會(huì)使一部分氯氣向上擴(kuò)散，隨著火源功率的增加，氯氣在火源附近受到的高溫和熱浮力不斷增大，導(dǎo)致氣體向廠房頂部運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)的作用下向下風(fēng)向擴(kuò)散。

通過(guò)對(duì)比分析圖3和圖6可見(jiàn)，氯氣泄漏條件下Y=10 m監(jiān)測(cè)面上，由于氯氣受重力的影響，氯氣的高濃度區(qū)主要集中在儲(chǔ)罐右側(cè)3 m以下的區(qū)域；而火災(zāi)-泄漏耦合條件下Y=10 m監(jiān)測(cè)面上，氯氣的高濃度區(qū)主要集中在儲(chǔ)罐右側(cè)3 m以上的區(qū)域，這主要是受火災(zāi)高溫的影響。

2.3.2 火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度和氯氣濃度的分布

火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度和氯氣濃度隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖7。

圖7 火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度和氯氣濃度隨時(shí)間的變化曲線

由圖7可見(jiàn)，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)A距離上風(fēng)口較近，在360 s時(shí)氯氣濃度才逐漸增加，最后穩(wěn)定在500 ppm左右；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處的氯氣濃度隨著時(shí)間的增加逐漸升高然后降低，這是因?yàn)殡S著火源功率的增加，火源附近的溫度升高，泄漏口泄漏出來(lái)的氯氣在風(fēng)和熱浮力的作用下向儲(chǔ)罐右上方擴(kuò)散；泄漏口右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)C、D、E、F處的氯氣濃度也是呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)，這是由于在火災(zāi)初期，火源功率相對(duì)較小，一部分氯氣透過(guò)火源向右側(cè)出口處傳播，隨著火源功率的增加，火源附近的溫度和熱輻射強(qiáng)度不斷增加，透過(guò)火源的氯氣不斷減少，大部分的氯氣隨火源擴(kuò)散到廠房頂部后才向下擴(kuò)散。

通過(guò)對(duì)比分析圖4和圖7可見(jiàn)，氯氣泄漏條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氯氣濃度隨著時(shí)間的增加逐漸增大；而火災(zāi)-泄漏耦合條件下，由于受火災(zāi)的影響，泄漏口右側(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氯氣濃度在火源功率達(dá)到穩(wěn)定后會(huì)出現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，但該條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氯氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氯氣泄漏條件下的氯氣濃度。

通過(guò)分析對(duì)比圖5和圖7可見(jiàn)，火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律與火災(zāi)條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，都是以火源處為中心，隨著距離的增加溫度逐漸降低；但火災(zāi)-泄漏耦合條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處的溫度相對(duì)較低，這主要是由于儲(chǔ)罐中高壓氯氣泄漏時(shí)會(huì)吸收一部分環(huán)境中的熱量，從而導(dǎo)致泄漏口周?chē)臏囟认鄬?duì)較低。由此可見(jiàn)，火災(zāi)-泄漏耦合條件下主要表現(xiàn)為火災(zāi)對(duì)氯氣泄漏擴(kuò)散濃度的影響，而氯氣泄漏擴(kuò)散對(duì)火災(zāi)中溫度的影響相對(duì)較小。

3 結(jié) 論

本文采用FDS軟件分別對(duì)某工業(yè)廠房?jī)?nèi)氯氣泄漏、火災(zāi)、火災(zāi)-泄漏耦合條件下的氯氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比分析模擬結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 氯氣泄漏條件下，氯氣主要在風(fēng)的作用下沿著地面快速向下風(fēng)向擴(kuò)散，當(dāng)?shù)竭_(dá)廠房右側(cè)時(shí)，一部分氯氣透過(guò)廠房右側(cè)門(mén)擴(kuò)散到廠房外，另一部分氯氣在廠房右側(cè)墻壁的阻擋后向上擴(kuò)散；火災(zāi)-泄漏耦合條件下，一部分氯氣在火源高溫和熱浮力的作用下向上擴(kuò)散，到達(dá)廠房頂部后向四周擴(kuò)散，且隨著時(shí)間的增加，累積在廠房頂部的氯氣會(huì)向廠房底部擴(kuò)散，因此火災(zāi)-泄漏耦合條件下廠房底部的氯氣濃度比氯氣泄漏條件下氯氣的濃度相對(duì)較低，這其實(shí)變相地削弱了氯氣在地面附近的擴(kuò)散傳播，對(duì)廠房?jī)?nèi)距離事發(fā)地點(diǎn)較遠(yuǎn)處員工的逃生起到了一定的保護(hù)作用。

(2) 火災(zāi)條件下，廠房?jī)?nèi)的溫度變化規(guī)律主要是以火源為中心隨著距離的增加逐漸降低；火災(zāi)-泄漏耦合條件下溫度的變化規(guī)律與火災(zāi)條件下溫度的變化規(guī)律一致，但主要區(qū)別在于火災(zāi)-泄漏耦合條件下泄漏口附近的溫度相對(duì)較低，這主要是由于泄漏出來(lái)的氯氣與空氣進(jìn)行了熱交換所造成。