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收稿日期:2008 09 25;修回日期:2008 11 20

第一作者地址:湖南省湘潭县金桂路消防大队

电话:(0732)7801119

危险化学品泄漏扩散数值模拟研究综述

朱 毅1,刘小雨2

(1.中国人民武装警察部队学院,河北廊坊 065000;2.合肥市消防支队,安徽合肥 230031)

摘要:对危险化学品泄漏扩散数值模拟的研究进行了综合。在总结、比较常见的几种经验模型和CFD模型的特点基础上,得出CFD模型的可靠性要优于经验模型,其中C FD数值模拟中湍流模型的选择和优化尤为重要。在此基础上,提出了危险化学品泄漏扩散数值模拟进一步研究的方向。

关键词:危险化学品泄漏;扩散;数值模拟;优化

1 引言

近年来,随着我国经济的快速发展,对石油化工原料的需求也在逐年增加,由此导致危险化学品在生产、储存、运输和使用过程中事故频发,其中由危险化学品泄漏扩散而引发的火灾、爆炸和中毒事故占有很大比例。如2004年4月16日,重庆天原化工厂发生的氯气泄漏事故;2005年3月19日,京沪高速公路液氯泄漏事故;2006年12月5日,抚顺市100多t液态液化石油气泄漏事故;2007年2月25日,陕西临潼丙烯槽车泄漏事故等,这些事故都不同程度的造成了一定的财产损失和人员伤亡。深入研究危险化学品泄漏扩散规律可为风险评价、应急预案的制定和实施抢险救援提供技术支撑[1]。

20世纪70年代美英等发达国家就开始对危险化学品泄漏扩散规律进行研究,我国自20世纪90年代也开始了这方面的研究,在国家 八五、 九五、 十五及 十一五项目的支撑下,取得了很大进展,并在事故预防及事故处理过程中得到了广泛应用。近三十多年来,关于危险化学品泄漏扩散规律的研究主要有以下三种方法:大规模现场试验、实验室研究和计算机数值模拟研究[2],而计算机数值模拟根据所采用的计算模型又分为经验模拟和计算机仿真模拟,计算机仿真模拟是当前危险品泄漏扩散规律研究的热点。在计算机数值模拟中,数值模型的选择在很大程度上决定模拟结果的可靠性和适应性。近二十年来,关于危险化学品泄漏扩散数值模型的研究主要有经验模型和CFD(C omputational Fluid Dyna mics)模型。

2 经验模型

采用经验模型进行数值模拟是20世纪90年代研究危险化学品泄漏扩散规律的主要方法,所采用的数值模型主要有高斯模型、B M(B ritter and Mc Quaid)模型、SUTTON模型及FE M3(3 D Finite Element Model)模型等。由于影响泄漏扩散的因素很多,因此所有的这些经验模型都是建立在一定理想假设条件之上,也就限制了其适用范围。经验模型按其发展过程主要经历两个阶段:中性、浮性云扩散数值模型和重气云扩散数值

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2008年第12期消防技术与产品信息

模型。

2.1 中性、浮性云扩散数值模型

适用于中性、浮性云扩散的经验模型主要有高斯模型、SUTTON模型及FE M3(3-D Finite Element Model)模型,其中高斯模型又分为高斯烟羽模型和高斯烟团模型。由于高斯模型没有考虑重力对气体扩散的影响,因此只适用于浮性云或与空气密度相差不多的中性云的扩散,但高斯模型提出的时间比较早,而且模型简单,易于理解,运算量少,因此应用比较广泛,如目前美国环境保护协会(EPA)所采用的许多标准仍以高斯模型为基础而制定[3]。SUTTON模型是用湍流扩散理论来处理湍流扩散问题的,适用于大规模长时间泄漏扩散,计算量少,但在模拟可燃气体泄漏扩散时误差较大。FEM3(3 D Finite Element Model)模型是三维有限元计算模型,于1979年提出,最初用于液化天然气(LNG)的突发性泄漏,也可用于模拟复杂地形条件下的气体扩散,获得了较好的结果,但其计算较为复杂。近年来,随着该模型的不断完善,已可处理毒性气体及可燃气体等许多重气云的扩散。

2.2 重气云扩散数值模型

据劳动部统计,危险化学品泄漏事故造成的人员伤亡约90%与重气泄漏有关[4]。而根据以往事故统计,危险介质泄漏后多形成重气云团,其扩散行为与非重气云团有很大不同,主要包括重气云沉降、空气卷吸、云团加热和向非重气云团转变四个阶段。基于重气云与中性、浮性云扩散机理的不同,研究人员对于重气扩散采用了与中性、浮性云扩散不同的计算方式。最简单的是根据经验判断的唯象模型,而后是箱与相似模型,如DE GADIS(Dense Gas Dispersion)模型;较复杂的有根据浅层理论得到的浅层模型,如SLAB模型; BM(B ritter and Mc Quaid)模型是由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的试验数据绘制成的计算图标组成,适用于大规模长时间泄漏扩散,优点是计算量少,但精度一般;最复杂的则是三维流体力学模型[5,6]。

由于重气泄漏事故的多发性和危害性,因此基于经验模型对各类重气泄漏扩散规律进行数值模拟是20世纪90年代前后研究的热点。但由于所有经验模型的建立都要作出一些理想化的假设,忽略了一些对危险介质泄漏扩散影响较为明显的因素,也就限制了模拟结果的适用性。相对而言,国外一些发展较为成熟的CFD软件近两年在研究危险化学品泄漏扩散规律方面却引起了研究人员的重视。

3 CFD模型

利用CFD软件进行仿真模拟是近几年研究危险介质泄漏扩散的又一热点,FLUE NT、CFX和PHOE NICS 作为三大计算流体力学软件[7],在研究危险化学品泄漏扩散方面均有应用[8~15]。基于CFD软件可视化能力较强,计算方法比较成熟,研究人员更多的是借助CFD软件从事危险化学品泄漏扩散计算机离线仿真模拟研究,并在实际应用中取得了较为理想的效果。

对于绝大多数以加压或冷冻方式储存的危险化学品,介质泄漏后将以湍流形式进行扩散,因此利用CFD 软件进行数值模拟时,湍流模型的选择在很大程度上决定模拟结果的可靠性。湍流模型作为C FD软件的重要组成部分之一,到目前为止,研究人员在模拟危险化学品泄漏扩散方面主要采用的湍流模型主要有标准k 模型、RNG(Renormalization Group)k 模型、Realizable k 模型及SSG(Speziale Sarkar Gatski)雷诺应力模型等,也有研究人员在现有两方程湍流模型的基础上作一些修改以满足特殊环境条件下危险介质扩散研究的需要,但缺乏这几种湍流模型之间定量化的比较。目前对于复杂地形和环境条件下气体扩散的研究方向主要有两个:一是用湍流统计理论进行研究,并改进现有的湍流模型。这是由于湍流流动本身的复杂性决定的,往往对一种流动十分有效的修正改进形式,而用于研究另外一种湍流流动时则存在局限性[16]。二是研究特殊环境条件,如大气湿度、稳定度等因素对危险化学品泄漏扩散的影响,应用比较广泛的是由美国环保署(EPA)和美国海洋与大气管理署(NOAA)共同开发的ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmosphere)软件[17]。

事实上,无论对于CFD模拟还是改进现有的ALOHA软件进行数值计算,都存在一些无法解决的问题。应用CFD软件研究危险化学品泄漏扩散虽然能很好的解决复杂地形的问题,但无法解决大气稳定度、大气湿度对其扩散的影响。特别是对于以加压或冷冻方式储存的危险介质泄漏以后,要充分考虑其扩散过程中与地表之间热量的交换,包括空气的热传导、热对流甚至太阳的热辐射对介质扩散的影响。而应用ALOHA软件进行数值计算时,同样无法解决复杂地形所带来的问题。此外,对于诸如液氯、液氨等事故多发性介质的泄漏,由于该类气体的化学性质非常活泼,具有较强的腐蚀性和毒性,当发生泄漏时,与空气中的水分结合或自身聚合,放出大量的热,并形成气溶胶,其扩散特性同样受环境温度、压力、风速、大气湿度和释放源状态的影响很大。因此,目前危险化学品泄漏扩散数值模拟在很多方面还是比较理想化的研究。

36朱 毅等:危险化学品泄漏扩散数值模拟研究综述2008年第12期