FDS軟件在有限空間機械通風模擬中的應用研究*

楊春麗，劉 艷，BENJAMIN TRUCHOT，李祥春

(1.北京市科學技術研究院城市安全與環境科學研究所，北京 100054；2.法國工業環境與風險研究所，法國 韋納伊法-哈拉特 60550；3.中國礦業大學(北京)，北京 100083)

0 引言

有限空間因封閉或部分封閉、進出口受限，未被設計為固定工作場所，通風不良，易造成有毒有害、易燃易爆物質積聚或氧含量不足，在其內作業具有較高風險，極易發生中毒窒息、燃爆等事故[1-3]，可能造成群死群傷的嚴重后果。近年來，隨著我國工業化和城市化進程的加快，有限空間數量和作業頻次大幅增加，有限空間作業事故高發頻發，據統計，僅2020年上半年(至2020年6月18日)，全國就發生有限空間作業較大事故20起、死亡62人[4]，有限空間作業安全生產形勢不容樂觀。

事故統計分析結果表明氣體危害是導致有限空間作業事故的主要原因[5-6]，通風是消除或降低有限空間內氣體危害、保證有限空間作業安全的重要技術措施[7-10]。在機械通風時，有限空間內氣體分布和變化規律受有限空間的結構、污染物的性質及濃度、通風風量、通風方式等多種因素的影響[11-12]，加之目前有限空間作業常用的氣體檢測儀無法在人員進入前全面檢測有限空間內氣體濃度，僅靠經驗可能會造成通風不徹底而存在安全隱患，因此，在實際操作中，對于常見的、作業頻次較高的典型有限空間，有必要借助計算流體力學軟件，掌握典型有限空間不同性質氣體的分布規律，為實際的通風提供支撐，以保障作業人員的安全。針對有限空間作業安全問題，部分學者開展了相關研究，Lloyd[13],Pesce[14],Zhao等[15-16]開展了機械通風條件下糞便池內氣體分布規律相關研究，采用現場實驗和數值模擬的方法研究了機械通風過程中糞便池內硫化氫濃度的變化規律，對比了糞便池形狀(方形和圓形)、結構尺寸、換氣速率等對硫化氫氣體濃度變化的影響；譚聰等[17]通過采用FLUENT軟件模擬研究了機械通風過程中市政供熱有限空間內氣流組織特點及內部O2和CO2氣體運移分布規律；劉艷等[18]通過自制的供熱有限空間實驗裝置研究了機械通風過程中O2變化規律，并對比了不同通風方案對O2恢復的影響。

從目前研究可看出，對于機械通風條件下有限空間內氣體分布規律相關研究還較少。為此，以市政供熱有限空間為例，采用FDS軟件研究有限空間內通風流場特性和氣體組分恢復規律，并將模擬結果與FLUENT所獲結果進行對比，分析FDS在解決此類問題的適用性，研究結果可為有限空間作業現場機械通風方案的設計提供理論依據。

1 數值模擬計算模型和模型參數

1.1 模型基本尺寸

本文模擬以某市政供熱有限空間為例，該市政供熱有限空間包含有1個檢查室、與檢查室相連通的管溝以及4個檢查井。檢查室尺寸為：長6 m，寬5 m，高6 m，檢查室頂部距地面(即檢查井深)4 m，在檢查室的對角布置有2個檢查井，作業人員可通過檢查井進入檢查室內，2個檢查井井口下方均設置有平臺和階梯。2條管溝位于檢查室的兩側，管溝是拱形，管溝寬3 m，高2.5 m，兩側管溝距檢查室中心100 m處分別設1個直徑0.7 m的檢查井。管溝內布置有2根直徑為0.8 m的供熱管道。供熱管道在檢查室內分支出2條直徑0.6 m的管道，管道從檢查室側面穿出，在管道接口處設有閥門。供熱有限空間結構如圖1所示。

圖1 供熱有限空間結構示意Fig.1 Schematic diagram of confined spaces accommodated heating pipe

根據模型的尺寸，采用FDS軟件建立幾何模型，由于該軟件只能建方形體模型，在建幾何模型時候，拱形、圓形幾何模型采用近似和等效面積法創建，在本次模擬中，管溝的拱形部分采用分解原理，將每1個曲面分解為若干個方體，使模型盡量與實際相似，截面為圓形的檢查井和供熱管道采用等效面積法轉化正方形，其他尺寸與現場實際相同，圖2是FDS軟件所建檢查室模型內部結構，模型原點(0，0，0)位于檢查室底部中心位置。

圖2 FDS軟件所建檢查室模型內部結構Fig.2 The internal structure of the model of examination room built by FDS software

1.2 邊界條件和監測點布置

根據現場實測，該供熱有限空間內部的氣體包括O2，N2，CO2、水蒸氣、其他氣體，其體積濃度分別為：12%，81%，2.0%，2.5%，2.5%。其內部供熱管道正在運行中，表面溫度為60 ℃。在模擬參數設置時，供熱有限空間初始氣體成分和濃度以及管道表面溫度依據現場所測數值設置。

通風時，檢查室上方其中的1個檢查井為新鮮風入口，其他3個檢查井井蓋為打開狀態，風流自由流出，通風在常溫常壓下操作，新鮮風流的溫度為25 ℃，新鮮風氣體組分包括O2，N2，CO2、水蒸氣以及其他，其體積濃度分別為：20.9%，78%，0.03%，0.03%，1.04%，通風風量分別設置為6 000，10 000，14 000 m3/h。

本次模擬在檢查室以及管溝內布置了V2，V4，V6，V94個監測點，其坐標位置分別為：V2(0,0,3)，V4(50,0,0.5)，V6(50,0,1.9)，V9(99,0,1.9)，其中V2位于檢查室中部，V4和V6位于管溝中段區域，V9位于管溝末段區域。

2 模擬結果分析

2.1 風速分布分析

本文以通風量6 000 m3/h為例分析檢查室和管溝內風流流場分布。 檢查室內Y=2截面風速分布云圖如圖3所示，由圖3可看出，檢查室內部風速分布不均勻，平臺附近及其斜下方風速相對較大，大于1 m/s，平臺上部的風速分布相對比較均勻，約為1 m/s左右，平臺正下方風速分布最小，為0.06 m/s左右。

圖3 Y=2 平面上風速分布云圖(通風后10 min)Fig.3 Wind velocity distribution on Y=2 plane (10 min after ventilation)

在管溝內部，在Y=0平面上，沿著距管溝底部垂直距離分別為0.5，1，1.9 m的直線上風速變化曲線如圖4所示(分別代表管溝下、中、上3個高度位置)。從圖4可看出，沿著管溝走向，隨著與檢查室中心點距離的增加下部風速逐漸降低，中、上部風速逐漸增大，并且中、上部風速變化曲線基本相同；管溝上、中、下高度方向上的風速分布大致分為3個區域：1)距檢查室中心3～40 m范圍(管溝前段區域)：管溝上、中、下位置風速分布不均勻區域，下部風速遠大于中、上部；2)距檢查室中心40～94 m范圍(管溝中段區域)：管溝上、中、下位置風速分布相對均勻區域，管溝上、中、下位置風速基本相同；3)距離檢查室中心94～100 m范圍(管溝末段區域)：管溝上、中、下位置風速分布不均勻區域，中、上部風速大于下部。

圖4 沿管溝走向不同高度風流速度(通風后10 min)Fig.4 Velocity at different heights along the trench (10 min after ventilation)

風流速度場的分布直接影響著O2濃度的恢復速率，因此,在研究O2濃度變化時應重點關注的區域為：檢查室平臺下方；管溝內距檢查室3～40 m區域內的管溝中、上部；管溝內距檢查室中心94～100 m區域內的下部。

2.2 O2濃度和CO2濃度的分布

以風量為6 000 m3/h為例，通風過程中不同觀測點處的O2濃度和CO2濃度隨時間變化如圖5和圖6所示。從圖5中可看出隨著外界新鮮風的注入，各監測點O2濃度逐漸恢復，其恢復速度均隨著時間的增加逐漸減低，但各點O2濃度速度恢復不盡相同，位于檢查室內的V2，O2濃度恢復相對最快，在3.9 min達到19.5% (低于19.5%為缺氧)，其次是位于管溝中段區域的測點V4和V6，這2個測點O2濃度恢復速率相同，均在7 min達到19.5%，位于管溝末段區域的測點V9，O2濃度恢復速度最慢，在13 min達到19.5%；各測點O2濃度恢復至正常(即20.9%左右)的時間相同，均是在32 min達到穩定值20.9%左右。

圖5 各監測點處O2濃度隨時間的變化規律Fig.5 Variation of O2 concentration with time at each monitoring point

圖6 各監測點CO2濃度隨時間的變化規律Fig.6 Variation of CO2 concentration with time at each monitoring point

通風過程中CO2濃度分布與O2濃度分布正好相反，各點CO2濃度恢復至正常值(即0.03%左右)的時間基本一致，且與O2濃度恢復到正常值相同，因此，在實際通風過程中可僅以O2濃度恢復情況作為衡量通風效果的代表氣體。

沿管溝走向，不同高度O2濃度和CO2濃度沿程分布如圖7和圖8所示，選取通風后6 min時的濃度場。分析時候選取的是Y=0截面上，距離地面高度分別為0.5，1，1.9 m的沿程分布，分別代表管溝下部、中部和上部。從圖7中可看出，沿著管溝走向，各點O2濃度隨著與檢查室中心點距離的增加而逐漸降低。在管溝前段區域，O2濃度呈下部高，中、上部低的分布規律，在中段和末段區域，管溝上、中、下部O2濃度基本相同，因此，可以管溝末段區域O2含量濃度衡量通風效果。CO2濃度沿著長度方向上的變化與O2濃度正好相反。

圖7 管溝不同高度O2濃度沿程分布(Y=0平面上)Fig.7 Distribution of O2 concentration along different heights of trench (on Y=0 plane)

圖8 管溝不同高度CO2濃度沿程分布(Y=0平面)Fig.8 Distribution of CO2 concentration along different heights of trench (on Y=0 plane)

2.3 溫度分布規律

以通風風量為6 000 m3/h為例，通風過程中不同觀測點的溫度恢復曲線如圖9所示。從圖9可看出，通風過程中，位于檢查室內的測點V2溫度降低較快，達到穩定時的溫度為29 ℃，而管溝內測點(V4，V6，V9)溫度降低相對較慢，并且3個測點的溫度變化曲線基本相同，達到穩定時的溫度為40 ℃左右，且各點達到穩定值的溫度相同，均為4 min左右。

圖9 各監測點溫度隨時間的變化規律Fig.9 Variation of temperature with time at each monitoring point

沿管溝走向，距地面不同高度溫度沿程分布如圖10所示。從模擬結果可看出，各測點溫度隨著與檢查室中心點距離的增加先增加后降低，溫度的最高值是在管溝中部某個位置，并且管溝中、上部溫度相同，管溝下部的溫度略低于中、上部。

圖10 管溝內不同高度溫度沿程分布Fig.10 Temperature distribution along different heights in pipe trench

2.4 通風風量對氣體恢復的影響

為分析不同通風風量對氣體恢復的影響，對比分析通風風量為6 000，10 000，14 000 m3/h時氣體濃度變化規律，分析時以管溝內測點V6(50,0,1.9)為例，該測點不同風量條件下O2濃度恢復曲線如圖11所示。隨著通風量的增加，O2濃度恢復較快。對于該供熱有限空間，當風量為6 000，10 000和14 000m3/h時，O2濃度恢復至正常(20.9%)所需時間分別為32，20和9 min。因此，在實際通風中，為確保安全，當通風量分別為6 000，10 000和14 000 m3/h 時，通風時間不應少于32，20和9 min。

圖11 不同風量條件下測點V6 O2濃度恢復曲線Fig.11 O2 concentration recovery curve at V6of different air volume

3 與FLUENT軟件模擬結果比較

為了驗證FDS軟件模擬結果的正確性、合理性，將模擬結果與通風模擬較為常用的軟件FLUNET所得模擬結果進行對比分析。采用FLUNET軟件模擬時，模型尺寸與實際供熱有限空間相同，內部氣體濃度、邊界條件的設置、各監測點的布置位置均與FDS軟件模擬設置相同。

3.1 O2，CO2濃度和溫度變化規律比較

FLUNET軟件模擬所得的O2和CO2濃度變化曲線如圖12所示，溫度變化曲線如圖13所示。通過與圖5、圖6和圖9進行對比，發現2種軟件獲得的O2，CO2濃度、溫度恢復規律基本相同，但是數值大小存在一定的差異：根據FLUNT軟件模擬結果，測點V2O2濃度在10 min時達到19.5%，各測點O2濃度在45 min達到20.9%左右，恢復速率略慢于FDS軟件所得結果；FDS軟件獲得的管溝中段區域相同位置不同高度的測點O2，CO2濃度、最終穩定后的溫度相同，而FLUENT所獲得底部氣體恢復速度相對較快，中部次之，上部最慢，并且各測點穩定后的溫度不同；FDS模擬所得各監測參數脈動較大，而FLUENT模擬所得曲線相對較為平滑。

圖12 O2和CO2濃度隨時間變化曲線Fig.12 Curves of O2 concentration and CO2concentration over time

圖13 不同監測點溫度隨時間變化曲線Fig.13 Temperature curves with time at different monitoring points

3.2 計算所花費時間比較

從時間消耗上看，在同樣計算機條件下，采用FDS軟件模擬計算到流動10 min需要110 h左右，而FLUENT軟件則需要6 h，因此，其計算所消耗的時間是FLUNET的18.33倍。這一結果與Karim Van Maele的研究結果一致，Karim Van Maele將FLUENT和FDS在水平縱向通風隧道臨界通風速度預測中進行了應用對比，結果認為 FDS軟件計算所花費的時間多于FLUNET[19]。

4 結論

1)據FDS模擬結果，在本文模型和邊界條件下，機械通風過程中，檢查室內風速總體較大，管溝內風速相對較小；在管溝內，管溝前段區域底部風速最大，風速上下分布不均勻，而管溝中段區域上、中、下部風速、O2濃度、溫度大小相同；各點O2，CO2濃度隨時間最終恢復至正常(與外界新鮮風流相同)，并且二者恢復至正常的時間相同，在實際作業中，可僅以O2濃度恢復情況作為衡量通風效果的代表氣體。

2)沿著管溝走向，各點O2濃度隨著與檢查室中心點距離的增加而逐漸降低，在機械通風后的檢測中，應以管溝末段區域O2濃度衡量通風效果。

3)FDS軟件與FLUENT軟件獲得的O2濃度、CO2含量、溫度恢復曲線形式基本相同，數值大小存在一定的差異，FDS軟件在對風流湍流細節的模擬上優于FLUENT，但創建幾何模型方面存在一定的局限性。

4)采用FDS軟件進行本文問題的模擬時，可獲得供熱有限空間風流速度場、溫度場、濃度場的動態變化數據，可較好地反映風流的湍流細節，并且模擬結果與FLUENT軟件模擬結果大致相同，可應用在類似問題的模擬中。受現場試驗條件限制，未開展現場試驗與模擬結果的對比，因此，在后續的研究中，將進一步開展現場實驗，以對比分析模擬結果的精確性。