海底隧道危化品泄露擴散模擬

(青島理工大學 山東 青島 266033)

本文選定青島地區海底隧道某段進行數值模擬，選用液化天然氣作為模擬對象。由于液化天然氣主要成分是甲烷，還有微量乙烷和丙烷。但液化天然氣中甲烷濃度高于95%，因此本文利用甲烷代替液化天然氣進行泄漏模擬。

一、液化天然氣擴散數值模擬

(一)液化天然氣擴散基本方程

液化天然氣泄露擴散基本方程包括：連續性方程，動量守恒方程，能量守恒方程，組份輸運模型和狀態方程，將方程統一表示為以下方程：

(二)計算模型及邊界初始條件

因為海底隧道和普通公路隧道都穿過巖層，在進行模擬時，邊界條件的設定是相同的，所以按照一般公路隧道進行分析。模型的計算區域選擇長×寬×高為200m×14m×8m的三維立體半圓柱模型，左邊50m處放置一個長×寬×高為4m×2m×2m的長方體泄漏車輛模型。模型布置圖如圖1所示。

(a)隧道物理模型側視簡圖

(b)隧道物理模型俯視簡圖

(c)隧道物理模型左視簡圖

初始計算條件設置：外界氣壓為標準大氣壓，泄露速率為50m/s，泄露口位置位于車體頂部，且液化天然氣以氣態形式泄露。

二、模擬結果分析

(一)風速對液化天然氣擴散的影響

本文主要設置了3m/s、5m/s、8m/s三個風速變量且風速與進口垂直，表1為模擬后的結果。

由表1可以知道泄漏氣體泄漏最大高度和最長距離。

表1 不同風速下泄漏氣體的泄漏距離

由表1可以看出不同時間、不通風速下，泄漏氣體擴散的距離遠近。當泄漏時間一定的時候，隨著風速增加，水平擴散的距離都在增加，但是8m/s的風速加快了泄漏氣體的擴散，在達到穩定的時候距離反而比其他兩個風速達到的距離縮短了2.1m左右。豎直方向上泄漏氣體的高度逐漸開始下降。隨著時間的增加，水平和豎直方向上的擴散情況也是和上述一樣

所以風速對液化天然氣的擴散有著重要的影響，當風速逐漸增大時，液化天然氣影響的范圍越來越廣，但泄漏氣體濃度范圍卻隨著風速的增加而減小。風速越高，云團與周圍環境交換熱量的面積也越來越大，其交換速率也逐漸上升，密度逐漸降低，云團被稀釋，故其爆炸影響范圍也越來越小。

(二)溫度對液化天然氣的影響

本節根據青島地區溫度變化規律，主要選取了10℃、25℃和35℃三個溫度，來探究不同環境溫度下的液化天然氣分布規律。

表2展示了不同環境溫度下氣體泄漏擴散質量分數分布水平方向和垂直方向最大距離

表2 不同溫度水平方向和垂直方向最大擴散距離

由表可以發現，溫度較低時，泄漏氣體與周圍環境換熱減少，氣體動能減少，擴散能力低，氣體密度降低緩慢。隨著溫度的升高，泄漏氣體吸收周圍環境溫度使得氣體分子動能增加，氣體分子速度變快，擴散能力增加，氣體密度降低速率增加，泄漏氣體擴散速率和泄漏擴散范圍變大。

三、結論

1.風速越大，液化天然氣泄漏的距離越遠，濃度偏小，但是其爆炸濃度范圍卻在減小；風速越小，天然氣泄漏距離越近，其濃度偏大，爆炸范圍也在增大。

2.溫度越高，液化天然氣泄漏氣體在垂直方向上的擴散距離變大，氣體爆炸范圍越小；溫度越小，其在垂直方向上擴散的越小，氣體爆炸濃度范圍越大。