上海市街道峽谷條件下液氨泄漏擴散的CFD 研究

劉猛 許科 馮毅

（1 上海城建職業學院 上海 201415 2 上海大學 上海 200444 3 上海航天工業（集團）有限公司 上海 201112）

0 引言

隨著城市建設的飛速發展，街道峽谷（即兩側都有高大建筑物的狹長街道）已經越來越多地出現在城市，尤其是大型城市中。相對于開闊型建筑，街道峽谷內的氣體擴散受峽谷內的氣體流動制約，一旦堆積了較多的氣體污染物，如有毒氣體、機車廢氣等，很難迅速疏散，對街道中行人以及街道兩旁建筑當中的居民健康帶來威脅［1］。

在這些氣體污染物當中，液氨是危險性較大的危險化學品之一。從物理化學性質上看，氨的揮發性強，擴散速度快。常溫下加壓為液氨，而一旦壓力降低或者溫度過高，會迅速變成氨氣揮發出來。加上其密度小于空氣，發生泄漏時會在橫向、縱向的很大范圍內造成影響［2］。人體吸入氨氣會出現頭暈頭疼、惡心嘔吐、胸悶呼吸困難，嚴重者會痙攣、昏迷，甚至死亡。進入眼內，可使眼結膜水腫，角膜潰瘍，人眼出現羞光、流淚、眼痛及視力障礙，嚴重者可能會失明。成人在氨氣濃度為553 mg/m3的環境中吸入30 min，即會有劇烈的刺激癥狀；若增為700 mg/m3，會立即劇咳，僅可耐受1.25 min；濃度升至1 750 mg/m3～4 500 mg/m3可危及生命；如再進一步升高達4 500 mg/m3以上，可立即死亡。所以，一旦在街道峽谷條件下出現液氨泄漏事故，有毒氣體長時間不能疏散，后果將不堪設想。這一點在人口眾多、街道峽谷密集的上海市尤為明顯。截至2020 年末，上海擁有2 250 萬常住人口，平均人口密度達到2 638 人/km2。城區內30層以上高層建筑超過2 000 幢，其中100 m 以上的超高層建筑有近1 000 幢。城區內需要使用液氨的企業，包括化工廠、鋼廠、藥廠、冷飲廠、紡織廠等超過百家，其中部分位于中心城區或外環線以內，因此，每天都有液氨運輸車輛不得不穿越人口稠密的市區。一旦這些車輛在街道峽谷地區發生泄漏事故，可能造成的傷亡將數以萬計［3］。因此，非常有必要對街道峽谷條件下的液氨泄漏擴散進行研究。

以往有關有毒氣體泄漏的研究多以氯氣、天然氣等重氣為研究對象［4］，以輕氣體為研究對象的較少；探討點源大范圍瞬時泄漏情況較多［5］，連續性泄漏探討較少；對毒氣擴散的趨勢平面研究比較多，兼顧橫向和縱向的立體研究比較少。鑒于此，以上海市為例，對街道峽谷條件下的液氨泄漏擴散情況進行模擬研究。

1 物理模型

1.1 街道峽谷的定義

街道峽谷的概念最早由Nicholson 提出［6］，最初是指街道兩側都有連續的高大建筑物的相對狹長的街道。但這一概念目前已經得到擴展，即相對狹長的街道兩側的高大建筑物在不連續、存在一部分空白和缺口時，也可稱為街道峽谷［7］。典型的街道峽谷剖面圖如圖1 所示。

圖1 街道峽谷示意圖

根據建筑物高度H 和街道寬度W 的比值H/W（高寬比），可將街道峽谷分為理想街谷（H/ W≈1），深街谷（H/W≈2）和淺街谷（H/W＜0.5）。如果街谷兩側建筑物高度大致相等則稱為對稱街谷，否則稱為非對稱街谷［7］。

1.2 CFD 簡介及控制方程

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是用數學方法，通過求解代表物理定律的數學方程，來預測流體流動、熱傳輸、質量傳輸、化學反應和相關現象［8］。現階段進行CFD 計算功能的軟件很多，FLUENT 是較為常用的一種。

描述流體運動的CFD 模型由以下5 個基本的守恒方程構成。

連續性方程：

動量守恒方程：

湍流模型采用標準κ-ε 方程模型，湍流粘性系數μt=cμρκ2/ε。

雷諾應力式中引入新變量κ（湍流脈動動能）和ε（耗散率），簡化N-S 方程后得到下面的形式。

κ 方程：

方程：

組分方程：

根據傳遞相似率，湍流擴散系數Dt可以通過流體的湍流施密特（Schmidtl）數σt與μt聯系起來，即

1.3 上海地區氣候特征

上海地處中緯，濱江臨海，根據EnergyPlus 提供的上海“典型氣象年”數據，提取并整理得出了上海全年風速頻率分布（見表1）。

表1 上海典型氣象年年風速頻率分布

根據典型氣象年風玫瑰圖顯示，上海市春季主導風向為東風和南風，夏季主導風向為東南風，秋季主導風向為西風和北風，冬季主導風向為西北風，全年范圍內上海市主導風向變化較大（見圖2）。在街道峽谷朝向、布局固定的情況下，主導風向與街道峽谷形成不同的夾角。為簡化分析，將主要探討主導風向順吹街道峽谷和橫掠街道峽谷2 種工況時，街道峽谷內氨氣泄漏后濃度場的分布情況。

圖2 上海典型氣象年過渡月份風玫瑰圖

2 主導風向順吹街道峽谷

2.1 計算模型

如圖3 所示建立求解區域，其尺寸長（L）×寬（W）×高（H）=700 m×100 m×100 m，求解區域內分布兩排建筑物，其尺寸同為長（l）×寬（w）×高（h）=600 m×30 m×40 m，兩建筑物之間形成街道峽谷，建筑物高度H 和街道寬度W 的比值H/W=40/60≈0.667，為理想峽谷。泄漏源位于風向上游街道峽谷正中間，其尺寸為長（l′）×寬（w′）×高（h′）=4 m×4 m×4 m，來流風向與街道峽谷長軸L 方向一致。

圖3 主導風向順吹街道峽谷示意圖

2.2 網格劃分與邊界條件

為得到較為精確的求解結果，劃分網格時整體上采用了結構化六面體網格，取大氣流動方向為X 軸正方向，豎直向上方向為Y 向。將前述求解區域劃分為157 800 個非均勻的結構化網格，控制網格的尺寸不大于4 m，泄漏源處的網格進行加密處理，設定其每條邊的上網格數均為12 個。Z=50 m 和X=100 m 截面的網格如圖4 所示。

圖4 Z=50 m 截面的網格

選取標準κ-ε 紊流模型方程，對于控制方程離散用有限體積法（FVM），對流項采用二階迎風格式，時間為一階隱式，速度壓力耦合采用SIMPLE 算法，近壁面采用標準壁面函數處理，控制流場的速度殘差絕對值小于10-6時停止迭代計算。

上海地區風速分布為3 m/s～5 m/s 的頻率最高，為35.84%，故設定模型中風速的邊界條件為4.2 m/s，溫度為20 ℃。

液氨泄漏為氣液兩相過程［9］，假定液相和氣相是均勻的，且互相平衡，兩相流泄漏按式（6）計算。

式中：QNH3為兩相流泄漏速度，kg/s；Cd為兩相流泄漏系數，取0.8；A為裂口面積，m2；P為操作壓力，Pa；Pc為臨界壓力，取Pc=0.55 Pa；ρm為兩相混合物的平均密度，kg/m3。

假定一運輸車液氨罐體積為100 m3，表壓為9.1×105Pa，出現一個60 mm×4 mm 的裂縫，這時泄漏口視為一個連續泄漏的點源［8］。取液氨溫度為25 ℃，液氨密度=608 kg/m3，此時液氨的泄漏強度QNH3=4.2 kg/s。

2.3 模擬結果

氨氣在運輸車內以低溫高壓的液態形式存在，因此在泄漏開始的短時間內，噴射出來的液氨迅速吸收環境的熱量而閃蒸為氨氣，在外界環境風向作用下，沿著街道峽谷迅速向下游擴散。由于外界風速較大，在泄漏開始3 min 之內，氨氣氣云即可覆蓋600 m 的街道峽谷范圍，從而形成穩定的濃度場。由于氨氣的密度小于環境空氣密度，氨氣污染物向下游擴散過程中同時向上漂移，形成的穩定濃度場如圖5 所示。

圖5 Z=50 m 截面的濃度場分布

在泄漏源下游方向100 m 范圍內，氨氣濃度很大，濃度值超過4 500 mg/m3，毒性負荷最大，泄漏事故發生后此范圍內的人員受毒害最大，但該區域范圍有限。隨著主導風向向下游推移，氨氣氣云在垂直方向的擴散加強，因此街道峽谷內靠近地面的濃度場有所下降。在泄漏源下游200 m 至400 m 區域內，氨氣濃度分布在3 200 mg/m3～2 000 mg/m3范圍，如果人員在此區域長時間停留，會有生命危險。隨著主導風向帶動氨氣繼續向下游移動，靠近地面的濃度場進一步下降，在泄漏源下游400 m 至600 m 區域內，氨氣濃度分布在1 800 mg/m3～800 mg/m3范圍內，氨氣沿著街道峽谷繼續漂移，其濃度分布會繼續下降。

沿中心街道不同高度處的濃度分布如圖6 所示。距泄漏源100 m 的區域內，不同高度處氨氣濃度差別很大，距地面5 m高度處氨氣濃度高達6 000 mg/m3以上，這是閃蒸氨氣與液滴氨氣同時匯聚的結果；而在距地面15 m 高度處，氨氣濃度只有2 100 mg/m3；距地面35 m 高度處，氨氣濃度不足300 mg/m3。隨著主導風向的作用以及氨氣向上漂移，距泄漏源下游約200 m處，5 m 高度處的氨氣濃度迅速下降，至泄漏源下游600 m處氨氣濃度已降至1 800 mg/m3；而15 m 高度處的氨氣濃度沿主導風向先逐漸上升后緩慢下降，600 m 處氨氣濃度降至1 600 mg/m3。

圖6 中心街道不同高度處的濃度分布

3 主導風向橫掠街道峽谷

街道兩側的建筑高度大多情況下是不相同的，主要研究了2 種工況下的街道峽谷內污染物濃度場的分布。

3.1 低矮建筑位于上風側

3.1.1 計算模型

如圖7 所示建立求解區域，其尺寸為長（L）×寬（W）×高（H）=160 m×300 m×100 m，求解區域內分布兩排建筑物，上風側建筑物1 尺寸長（l1）×寬（w1）×高（h1）=100 m×30 m×20 m，下風側建筑物2 尺寸為長（l2）×寬（w2）×高（h2）=100 m×30 m×40 m，兩建筑物之間的距離D=40m。兩建筑物之間形成街道峽谷，泄漏源位于街道峽谷正中間，其尺寸為長（l′）×寬（w′）×高（h′）=4 m×4 m×4 m，來流風向與與街道峽谷長軸L 呈垂直方向。

圖7 主導風向橫掠街道峽谷（低矮建筑在上風側）

3.1.2 網格劃分與邊界條件

對于求解區域，劃分網格時整體上采用了結構化六面體網格，將求解區域劃分為236 810 個非均勻的結構化網格，控制網格的尺寸不大于3 m，泄漏源處的網格進行加密處理，設定其每條邊的上網格數均為12 個。X=50 m 截面的網格如圖8 所示。

圖8 X=50 m 截面的網格

設定模型中風速的邊界條件為4.2 m/s，溫度為20 ℃，污染源的泄漏強度為4.2 kg/s。選取標準κ-ε 紊流模型方程，方程的離散以及求解方式與對于控制方程離散采用有限體積法（FVM），對流項采用二階迎風格式，時間為一階隱式，速度壓力耦合采用SIMPLE 算法，近壁面采用標準壁面函數處理，流場的速度殘差絕對值小于10-6時停止迭代計算。

3.1.3 模擬結果

圖9 為街道峽谷側剖面等勢面分布圖，4 種顏色分別代表4 500 mg/m3、1 750 mg/m3、700 mg/m3和530 mg/m34個等勢面。從總體趨勢上看，氨氣在擴散過程中順主導風向向上方漂移，街道峽谷內低矮建筑背風立面上濃度分布明顯大于高大建筑臨街立面的濃度分布。這是因為處于風向上游建筑的背風面的壓力更低，氨氣在街道峽谷內形成漩渦，導致氨氣朝該方向擴散。

圖9 計算區域中的等勢面分布

圖10 為街道峽谷內位于上風側的低矮建筑背風立面濃度分布圖。該立面濃度較高，最大值可達9 400 mg/m3，出現在建筑立面上半部，這是由于主風向帶來的氨氣與峽谷內回旋的氨氣匯合于此造成的。中心區域兩側的氨氣濃度迅速遞減，20 m 以外的區域濃度值已降至800 mg/m3以下。泄漏事故發生后，街道峽谷內臨街的高區住戶受到的影響大于低區住戶，高區住戶應立即關窗并向污染物濃度較低的樓下疏散。

圖10 Z=30 m 截面的濃度場分布

圖11 為街道峽谷內位于下風側的高大建筑臨街立面濃度分布圖。相比上風側低矮建筑背風立面，下風側高大建筑臨街立面上的氨氣濃度值較低，最大值約為3 200 mg/m3。氨氣向上漂移的趨勢更為明顯，最大濃度出現在建筑立面上半部，距地面約35 m 處。氨氣濃度由中間向兩端逐漸降低。

圖11 Z=70 m 截面的濃度場分布

3.2 低矮建筑位于下風側

3.2.1 計算模型

求解區域尺寸（圖12）為長（L）×寬（W）×高（H）=160 m×300 m×100 m，求解區域內分布兩排建筑物，上風側建筑物1尺寸為長（l1）×寬（w1）×高（h1）=100 m×30 m×40 m，下風側建筑物2 尺寸為長（l2）×寬（w2）×高（h2）=100 m×30 m×20 m，兩建筑物之間的距離為D=40 m。兩建筑物之間形成街道峽谷，泄漏源位于街道峽谷正中間，其尺寸為長（l′）×寬（w′）×高（h′）=4 m×4 m×4 m，來流風向與街道峽谷長軸L 方向垂直。

圖12 主導風向橫掠街道峽谷（低矮建筑在下風側）

3.2.2 網格劃分與邊界條件

對于求解區域，劃分網格如圖13 所示，邊界條件的設定與3.1.2 完全相同。

圖13 X=50 m 截面的網格

3.2.3 模擬結果

從模擬結果來看，街道峽谷內位于上風側的高大建筑背風立面，氨氣濃度較高，其最大值約為8 900 mg/m3，出現在建筑立面距地面20 m 以上的位置（見圖14）。這是由于在外界風場作用下建筑周圍形成繞流，街道峽谷內形成漩渦，處于上風側的高大建筑的背風面的壓力更低，于是氨氣朝該方向擴散。又由于氨氣的密度值小于空氣，擴散過程中同時向上漂移，因此濃度最大值出現在高大建筑背風立面的上半部。

圖14 X=15 m 截面的濃度場分布

相對而言，下風側低矮建筑臨街立面上的氨氣濃度值較低，約為1 800 mg/m3。氨氣在臨街立面上的分布較為均勻。低矮建筑的下風側區域，污染物開始大范圍擴散，濃度值較低，小于530 mg/m3，對人員有一定的刺激性但不會有致命危險。泄漏事故發生后，街道峽谷內臨街的住戶應立即關窗，朝氨氣濃度較低的下風向疏散。

4 結論及展望

模擬分析了街道峽谷環境下氨氣泄漏時的濃度場分布，主要結論如下：

（1）主導風向順吹街道峽谷時，泄漏源下游方向100 m 范圍內，濃度值超過4 500 mg/m3；泄漏源下游200 m 至400 m 范圍內，氨氣濃度分布在2 000 mg/m3～3 200 mg/m3；泄漏源下游400 m 至600 m 范圍內，氨氣濃度分布在800 mg/m3～1 800 mg/m3。

（2）主導風向橫掠街道峽谷且低矮建筑位于上風側時，街道峽谷內位于上風側的低矮建筑背風立面氨氣濃度最大，約為9 400 mg/m3；下風側高大建筑臨街立面上的氨氣濃度最大值約為3 200 mg/m3；中間區域的濃度值較大，向兩端則迅速遞減。

（3）主導風向橫掠街道峽谷且低矮建筑位于下風側時，街道峽谷內位于上風側的高大建筑背風立面氨氣濃度最大值約為8 900 mg/m3，下風側高大建筑臨街立面上的污染物濃度最大值約為1 800 mg/m3，低矮建筑下風側區域污染物的濃度值小于530 mg/m3。

主要工作分析了街道峽谷環境下氨氣作為污染源的濃度場分布，按現有分析方法，下一步研究可以液化天然氣（LNG）等氣體為污染源，分析其在街道峽谷內的擴散狀況，為LNG 應急能源車在市區使用提供相關依據。只有深入了解污染源氣體擴散規律之后，對相應的逃生策略、救援方法做進一步地深入探討才會有更多的現實意義。