覆土油罐油氣泄漏擴散數值模擬

劉 瑞 王 冬 張培理 梁建軍 姜俊澤 段紀淼 郭子航

陸軍勤務學院油料系, 重慶 401331

0 前言

油氣具有低閃點和易揮發的特性,常溫下易引起燃燒,與空氣混合后會形成可燃爆炸性混合物,在受限空間遇明火或者高熱能極易發生燃燒爆炸,形成超壓,具有極強破壞力。覆土油罐罐室作為典型油氣受限空間,研究其油氣泄漏傳質特性、分布規律、發展運動規律,在實踐應用中對安全處置覆土油罐油氣泄漏具有重大意義。

目前,國內外對擴散的研究方法主要有理論研究、實驗研究和數值模擬研究。理論研究方面,以數學模型研究為主,國外研究起步相對較早,建立了很多氣體泄漏擴散模型。從簡單的高斯模型、唯象模型[1]、Sutton模型[2-3]、箱及相似模型[4-5]，再到復雜的淺層模型[6]和三維有限元模型[7-9]等。這些模型主要用于危險性氣體連續或瞬時泄漏時,在大氣環境中的輸運和擴散過程,以及時空分布及各因素對擴散速度的影響作用。實驗研究方面，主要是氣體泄漏擴散現場實驗[10]、氣體泄漏擴散風洞實驗[11]、氣體泄漏擴散模擬實驗研究[12]等。數值模擬研究方面,通過計算機模擬分析得到危險性氣體擴散的特征規律及關鍵現象[13]，劉沖等人[14]基于WALE模型和Zimont預混火焰模型對狹長密閉空間內汽油—空氣混合物爆炸火焰特性進行了數值模擬研究。數值模擬能描述氣體擴散蔓延過程中的物理現象,可以直接反映擴散過程中速度場、溫度場和濃度場的變化[15]。

國內外研究直接與覆土油罐油氣泄漏擴散相關文獻很少,油氣危險源擴散蔓延規律、關鍵特征和機理等方面的基礎理論研究較缺乏。但危險性氣體泄漏擴散研究較多,在一定程度上為本文研究提供了參考[16-18]。隨著計算機技術突飛猛進,數值模擬研究運用越來越廣,本文利用仿真軟件對覆土油罐油氣泄漏擴散進行數值模擬研究,分析擴散規律及其實踐應用。

1 構建覆土油罐油氣泄漏模型

1.1 覆土罐室計算域幾何模型及網格劃分

利用某油庫覆土油罐罐室空間原形尺寸構建模型,內徑15 725 mm、外徑16 825 mm、壁高5 900 mm、內頂高7 600 mm、外頂高9 130 mm、罐室通道門下底邊高5 900 mm、通道寬1 740 mm、通道高1 880 mm。假設泄漏口處于油罐最下面一圈鋼板焊縫處，裂縫高1 500 mm、寬100 mm,上部4個小采光口內徑520 mm和中心1個采光口內徑720 mm。劃分網格采用四面體劃法,網格數113 392,節點數24 698,覆土油罐罐室計算域模型見圖1,覆土油罐罐室計算域網格見圖2。

圖1 覆土油罐罐室計算域模型圖Fig.1 Calculation domain model diagram of covered oil tank chamber

圖2 覆土油罐罐室計算域網格劃分圖Fig.2 Grid division diagram of calculation domain of covered oil tank chamber

1.2 基本假設和控制方程

覆土油罐罐室內油氣泄漏擴散過程是典型瞬態傳質擴散過程,影響因素眾多,為研究分析油氣傳質特性得出相應規律,做以下假設和簡化:

1)覆土油罐罐室內在油氣泄漏之前為空氣,初始氣體分布均勻,無流動,氣壓為標準大氣壓,遵循理想氣體狀態方程。

2)氣體的整個運動過程維持熱平衡,忽略其溫度差異和熱量傳遞。

3)覆土油罐罐室內僅考慮空氣(僅考慮O2和N2構成)與油氣(后文中所有油氣均指C8H18),不考慮其他組分的混合氣體,該混合氣體視為理想氣體,遵循理想氣體狀態方程,擴散過程中不發生化學反應。

基于以上的簡化和假設,覆土油罐油氣泄漏過程是無化學反應的瞬態單相多組分擴散問題。因此,需要根據連續性方程、N-S動量方程和組分方程建立基本控制方程組。

連續性方程:

(1)

N-S動量方程:

(2)

組分方程:

(3)

1.3 湍流模型

1.4 初始條件和邊界條件

考慮覆土油罐實際情況,假設油罐最下層一圈鋼板焊縫因腐蝕而形成裂縫1.5 m×0.1 m的泄漏口,以覆土油罐罐頂的5個采光口作為排出口,其中中心1個采光口內徑720 mm,周圍分布4個小采光口內徑520 mm。假設僅剩余底油和油泥,設油氣占體積分數5%[19],空氣占體積分數95%。覆土油罐罐室內泄漏油氣僅有自身擴散,擴散速度較小,故設油氣擴散速度0.06 m/s[20]較為合理。罐室內計算域泄漏之前成分為空氣,設置環境溫度293.15 K,壓力為1個標準大氣壓,覆土罐頂5個采光口設為壓力出口,相對壓力為0。

1.5 求解算法

PISO算法不需要迭代,既具有與迭代的全隱式算法相同的精度,又可以取較大的時間步長,對可壓縮及不可壓縮流動均適合。本文覆土油罐罐室油氣泄漏擴散數值模擬是典型的瞬態擴散問題,因此采用PISO算法對離散后的控制方程進行求解更具優勢。

2 計算結果分析

2.1 水平方向油氣體積濃度隨時間變化規律

為獲取同一平面不同位置及同一位置不同高度相關數據取以下16個點坐標,以便進行相應研究,相應坐標可見表1和圖3。

表1 覆土油罐罐室內部監測點坐標表

圖3 坐標點位置圖Fig.3 Coordinate point location map

對覆土油罐罐室內部高度分別為0、2、4、6 m的油氣體積濃度變化規律,分別繪出相應曲線及油氣體積濃度云圖,見圖4～8。通過圖4(除圖4-a))可看出,曲線隨時間變化分為準靜態期、梯度上升期和穩定期。準靜態期,油氣從泄漏口擴散到該監測點的時間差,即預警時間。梯度上升期,該點剛檢測油氣直到油氣體積濃度達到穩定狀態前時間。穩定期,油氣體積濃度幾乎不再改變,波動范圍很小。

圖4-a)中監測點A 1位置正對泄漏口,距離短準靜態期極短,圖4-b)～d)中準靜態期也較短,與監測點A 1相差不大。通過觀察發現監測點A 1、B 1、C 1和D 1油氣體積濃度不斷升高,到達穩定期時間約30 000 s。圖5中監測點A 1、B 1、C 1和D 1分別收斂于2.25%、1.4%、1.3%和1.4%。各監測點在梯度上升期速率不一樣,距泄漏口越近,速率越快,穩定期油氣體積濃度也較高。監測點B 1和D 1的油氣體積濃度變化曲線重合,兩者處于對稱位置。圖6穩定期后,在同一高度不同位置處油氣體積濃度存在分區現象,泄漏口附近區域油氣體積濃度較高,監測點B 1和D 1附近區域油氣體積濃度次之,在監測點C 1附近區域油氣體積濃度最低。

a) A 1

b) B 1

c) C 1

d) D 1

圖5 高度0 m時油氣體積濃度對比變化曲線圖Fig.5 Variation curve of hydrocarbon gas volume concentration comparison at height 0 m

圖6 高度0 m時趨于穩定期油氣體積濃度云圖Fig.6 Hydrocarbon gas volume concentration cloud map of the stabilization stage at height 0 m

覆土油罐罐室內部高度2 m時，與0 m時有類似結論。準靜態期比高度0 m時相應準靜態期時間長,這是整體高度增加2 m的緣故。盡管泄漏口上沿距離監測點A 2只有0.5 m,但是在該監測點也出現準靜態期，這是因為泄漏口排出的油氣在重力作用下先下沉再向上擴散。通過圖7分析,高度2 m時,監測點A 2、B 2、C 2和D 2曲線重合,準靜態期相同,梯度上升期變化速率相同,在穩定期油氣體積濃度收斂于1.3%。在圖8油氣體積濃度云圖中高度2 m時，平面上油氣體積濃度相同。

同理，覆土油罐罐室內部高度4 m時，與2 m時有類似規律。在高度4 m處,穩定期油氣體積濃度集中收斂于1.05%,在高度4 m時穩定期油氣體積濃度波動范圍很小。

覆土油罐罐室內部高度6 m時，具有前文類似結論,但沒有梯度上升期,進入穩定期之前油氣體積濃度有劇烈波動階段,然后恢復低油氣體積濃度。油氣體積濃度波動是油氣擴散到頂部時,由拱頂阻擋造成油氣短時間集聚,后油氣逐漸向采光口擴散,油氣體積濃度下降,穩定期后油氣體積濃度較低。在高度6 m時最高油氣體積濃度為0.000 65%,處于絕對安全油氣體積濃度范圍內。

圖7 高度2 m時油氣體積濃度對比變化曲線圖Fig.7 Variation curve of hydrocarbon gas volume concentration comparison at height 2 m

圖8 高度2 m時油氣體積濃度云圖Fig.8 Hydrocarbon concentration cloud map at height 2 m

水平方向油氣體積濃度隨時間變化規律如下:

1)油氣擴散過程中各點油氣體積濃度隨時間變化分為準靜態期、梯度上升期和穩定期。在同一高度準靜態期相同,達到穩定期所需時間相同。

2)在同一高度不同位置點油氣體積濃度隨時間不斷增高,除頂部有短期波動外,油氣體積濃度很小且在安全油氣體積濃度范圍內,總體上油氣體積濃度不斷上升。

3)在高度2、4、6 m達到穩定期時,油氣體積濃度在同一高度處相同,在高度0 m達到穩定期時油氣體積濃度在底部不相等且分區存在,泄漏口附近油氣體積濃度最高,距離泄漏口越遠油氣體積濃度越低,相對于泄漏口呈現對稱分布。

2.2 豎直方向油氣體積濃度隨時間變化規律

研究豎直方向油氣體積濃度變化規律,繪出油氣體積濃度變化曲線見圖9。

a)A位置a) A location

b)B位置b) B location

c)C位置c) C location

d)D位置d) D location

由圖9-a)分析得出各點油氣體積濃度隨時間逐漸增加。A 1、A 2、A 3和A 4準靜態期逐漸延長,梯度上升期油氣體積濃度增長速率越來越小,隨高度增加穩定期油氣體積濃度收斂值越小，在約30 000 s時達到穩定期。同理,圖9-b)～d)也能得到類似結論。在圖9中,比較相應監測點A 1和A 2、B 1和B 2、C 1和C 2、D 1和D 2在穩定期的油氣體積濃度差值分別為0.89、0.15、0.05、0.15,能夠發現:

VC(A1A2)>VC(B1B2)=VC(D1D2)>

VC(C1C2)

(5)

同理得出:

VC(A2A3)=VC(B2B3)=VC(C2C3)

=VC(D2D3)=0.35

(6)

VC(A3A4)=VC(B3B4)=VC(C3C4)

=VC(D3D4)=1.02

(7)

由式(5)可知,在高度0～2 m內油氣體積濃度沒有均勻分布,為了揭示覆土油罐罐室內部油氣體積濃度隨高度變化規律,取出線段A 1A 4、B 1B 4、C 1C 4和D 1D 4在穩定期后油氣體積濃度隨高度變化曲線，見圖10-a)。研究發現覆土油罐罐室內部豎向油氣體積濃度在穩定期存在分區現象,罐室1.7 m以下區域稱紊亂區,此區域內除相對于泄漏口處于對稱位置油氣體積濃度相同,其它任何兩點油氣體積濃度都不相同；罐室1.7 m以上稱為穩定區,此區域內位于同一高度油氣體積濃度就相同。根據相關規定汽油(液體)的爆炸極限安全油氣體積濃度為1.1%,分析圖10-b)可知高度超過3.76 m即為安全區。

a)區域劃分a) Area division

b)安全區域b) Safe zone

豎直方向油氣體積濃度隨時間變化規律如下:

1)總體上看,豎直方向各監測點油氣體積濃度隨時間增加而不斷升高,且高度越高穩定期油氣體積濃度越低。準靜態期隨高度增加而延長,即預警響應時間逐漸延長。監測點幾乎同時達到穩定期，時間約30 000 s。

2)梯度上升期內,豎直方向高度升高油氣體積濃度增長速率越小。在紊亂區,同一水平面上越靠近泄漏口油氣體積濃度增長速率越快;在穩定區,同一水平面上油氣體積濃度增長速率幾乎相同。在覆土油罐罐室頂部區域油氣體積濃度變化極小,油氣體積濃度極低且處于安全油氣體積濃度以下。

3)穩定期內,豎直方向高度升高油氣體積濃度越低。在紊亂區,同一水平面上距離泄漏口越近油氣體積濃度越大。覆土油罐罐室內部除了相對于泄漏口處于對稱位置,油氣體積濃度相同。在穩定區,同一水平面上油氣體積濃度相同。當高度超過3.76 m、油氣體積濃度低于1.1%時,即為安全區。

3 結論

本文主要研究某油庫覆土油罐油氣泄漏擴散過程,利用仿真軟件對其進行數值模擬,得到以下結論:

1)油氣擴散過程中各點油氣體積濃度隨時間變化分為準靜態期、梯度上升期和穩定期。除罐室頂部有一個短期波動,變化極小范圍且處于安全油氣體積濃度以下,總體上油氣體積濃度隨時間增長而上升。

2)準靜態期同一高度處則相等,高度越高準靜態期就越長,即預警響應時間就越長。

3)梯度上升期內,豎直方向上隨高度升高油氣體積濃度增長速率越慢。在紊亂區(高度≤1.7 m)內同一高度越靠近泄漏口油氣體積濃度增長速率越快。在穩定區(高度>1.7 m)同一高度油氣體積濃度增長速率相同。

4)穩定期內,豎直方向上隨高度升高油氣體積濃度越低,達到穩定期所需時間約30 000 s。在紊亂區,同一高度距離泄漏口越近油氣體積濃度越大且相對于泄漏口呈對稱分布。而在穩定區,同一高度處油氣體積濃度濃度相同。當高度超過3.76 m時,油氣體積濃度低于1.1%,即為安全區。