重气泄漏扩散影响因素分析及模型研究
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【摘 要】重气扩散受多种因素影响过程复杂，是目前泄漏扩散研究的重点。分析了重气扩散机理和影响因素，对重气研究方法进行了介绍，对比分析了箱模型、CFD模型、浅层模型和经验模型的适用范围和各自的优缺点，得出CFD模型是研究重气扩散最准确分方法。
【关键词】重气；扩散；泄漏；模型研究
【Abstract】Heavy gas diffusion is affected by many factors and is a complex process. It is the focus of the current research of leakage and diffusion. This paper analyzes the gas diffusion mechanism and influence factors of gas， the research methods of the paper， comparison and analysis of the scope of application of tank model， CFD model， the shallow layer model and experience model and their advantages and disadvantages， the CFD model is the most accurate method of heavy gas dispersion analysis.
【Key words】Heavy gas； Diffusion； Leak； Model study
0 引言
石油、化工行业在生产、存储和运输过程中存在多种有害的化学物质，一般为了便于使用，气态化工产品都需经过加压降温液化后再进行储存、运输，容器内物质温度很低，泄漏后如果直接接触人体，就会造成冻伤事故。易燃、易爆、有毒也是化学品常有的特性，一旦在一定气象条件下发生扩散后，也会对人员和环境造成严重的损害[1-3]。因此，深入研究重气扩散规律，分析危险物质泄漏可能造成的影响程度和范围，对突发性事故的应急预案编制和现场救护，以及科学预防事故性泄漏的发生具有重要意义[4-5]。
本文综述了多年来国内外学者对重气扩散各研究方法的进展情况，并在此基础上分析了现场试验研究、实验室研究和模拟研究各自的优势，提出了未来重气扩散研究的重点问题。
1 重气扩散机理及影响因素分析
重气是指泄漏后与空气混合以气态或者气溶胶形式存在并且比重空气重的气态物质， 如氯气、丙烷、H2S等。与非重气不同的是，重力对于重气云团的扩散过程起主导作用，会产生重气效应，沿地表聚集并扩散。重气云团常用Richardson数来判定。Ri准则认为，如果Ri小于或等于某个临界值（在1～10之间），重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散，扩散云团为重气云团[6]。
重气云团在扩散过程中要经历重力沉降、空气卷吸、云团加热和向非重气扩散转化4个阶段的变化。重气扩散过程受到多种因素的影响，大致可以分为操作因素和气象因素两大类。操作因素包含容器内泄漏物质的状态、压力、温度和比重。多数物质处在低温加压的液化状态，容器上方有部分操作条件下的饱和蒸气。压力直接影响到物质的泄漏速度；温度影响到物质泄放后的闪蒸气化速率；比重表示重气与空气分子量的比值，重气云团的比重越大，扩散前期受重力作用的影响就越明显，重气云团转化为非重气云团的时间也就越长。气象因素有风速、风向、大气温度等。风速影响重气云团的扩散速度；风向决定扩散的主要方向；大气温度影响云团的温度和密度。除此之外，地表的坡度、粗糙度及障碍物的尺寸也是影响重气云团扩散的关键因素，会影响泄漏物质的浓度空间分布情况。有实验表明，当障碍物高度不太大时，重气云团会从顶部绕过，障碍物后方的一定区域浓度分布较低。
2.1 箱模型
箱模型用来描述瞬间泄漏形成的重气云团的运动，其核心是因空气进入而引起的气云质量增加速率方程。箱模型有三个假定条件：
1）重气云团为正立的坍塌圆柱体，圆柱体初始高度等于初始半径的一半。
2）在重气云团内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。
3）重气云团中心的移动速度等于风速。
重气扩散的箱模型示意图如图1所示。
图1 重气云团箱模型示意图
依据假定条件、质量守恒定理和云团体积随时间的变化速率关系，采用量纲分析法推导出云团浓度计算公式为：
C=CO（x/V■■）-1.5，x？叟V■■（1）
式中：C――重气云团内部危险物质浓度，kg/m3；
CO――初始时刻重气云团内部危险物质浓度，kg/m3；
x――沿下风向泄漏点到云团的距离，m。
随着空气的不断进入，重气云团的密度将不断减小，重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境湍流引起的扩散。
2.2 CFD模型
随着计算机科学的发展和研究者对于计算精度的高要求以及研究过程复杂性的增加，为了克服常规模型对重气扩散模拟的局限性，有学者开发出了CFD模型（计算流体力学模型），该模型以流体力学为理论基础，先用前处理器建模并划分网格，为了达到计算收敛需要结合一定边界条件和初始条件利用求解器进行求解。CFD模型的基本控制方程是质量守恒、动量守恒和能量守恒三个守恒方程，守恒方程可用以下通式表示。
■+■=■（？祝■■）+S■（2）
最先使用CFD方法模拟重质气体三维空间内流动扩散规律的是England[7]，他采用CFD方法模拟了气体的非定常湍流过程。Steven R. Hanna[8]应用FLACS软件建立3D模型，模拟计算了芝加哥工业区和郊区列车储罐内氯气泄漏扩散的事故场景，得出氯气在平坦地形扩散速度较快，加重事故的严重程度。液氯泄漏后随着排水系统扩散，受到障碍物的阻挡作用，扩散速度变慢，重气云会聚集，部分区域内氯气浓度增加。国内大连理工大学的丁信伟、王淑兰[9]等通过分析危险化学品泄漏的研究进展，综述了国内外有关危险性气体扩散研究中的数值模型与试验开展情况。详细对比分析了各个气体计算模型的优缺点和适用范围，并分析研究了国外研究机构早期设计实施的一系列大规模试验，并预测了气体扩散研究的重点和将来的发展趋势。
CFD模型适用性强，能适合任何地形条件和外界因素影响下重气扩散过程的模拟，并保持很高的计算精度，这方面是其他模型无法比拟的。CFD模型也存在一定的局限性，对于大范围的模拟计算，尤其是3D模拟，因涉及大量的数值计算，需要很高的计算机软硬件配置，如果前期建模网格处理不好，从开始计算到结果收敛要花费大量的时间。
2.3 浅层模型
浅层模型是依据浅层理论的近似原理提出的，模型假定横向尺寸远大于垂直尺寸，应用流体静力学描述重气团内部压强，只有在气云前边缘处才会出现特殊情况。气云和外界大气的质量交换用卷吸速度表示，复杂地形下的扩散过程需要在动量方程上增加一些附加项。
SLAB模型和HEGADAS模型是一维浅层模型，一维模型假设云团浓度和其他性质的侧风轮廓是一个特定形状，空间平均、侧风值的下风向变化通过顺风向的守恒方程确定。一维浅层模型最大的缺点就是模拟复杂地形或者绕过障碍物时计算精度较差。二维浅层模型在模拟重气绕过障碍物方面进行了改进，能较好模拟持续泄漏和瞬时泄漏两种情形。
浅层模型的模拟可靠性介于箱模型与CFD模型之间，对于计算精度要求不严苛，一般复杂地形下的重气扩散过程模拟浅层模型有较强的适应性。
2.4 经验模型
经验模型是指通过一系列图表或者简单关系式来描述扩散过程的模型。该模型使用简单，多用于平坦地形的扩散过程。Britter和McQuaid[10]通过收集大量的重气扩散的实验室和现场实验研究的结果，以无因次的形式将数据连线绘制成曲线图并给出了与数据匹配的关系曲线的近似方程，并编制了重气扩散手册，其中荐了一套简单且实用的曲线图，有学者将之称为B&M模型。
Hanna[11]等通过验证各重气模型，指出HEGADAS等4个重气扩散模型能够预测实地测试的最大中心线浓度和烟羽宽度在两倍以内，但是都无法重现来自现场数据的平均时间浓度的变化。Mercer对比了几个积分模型，得出在瞬时释放时，各模型预测结果之间的最大差异产生在低风速、大气稳定度为F、地表粗糙度较大的条件下。
重气扩散模型比较表
3 结论
重气泄漏扩散模型都有各自的适用范围，CFD模型是各类模型中精度最高的模型。在工程实际应用时应根据泄漏的具体情形，分析并选取合适的泄漏模型。在大多数情况下，可以将上面3种模型结合起来使用，取长补短。研究更加切合实际情况的泄漏模型将是泄漏模型的发展方向，也是对泄漏事故后果进行评价的迫切需要。
【参考文献】
[1]岳士凯，杨以湖，王华.氯气扩散影响因素的数值模拟[J].消防科学与技术，2011，30（6）：479-481.
[2]郑津洋，刘延雷.障碍物对高压储氢罐泄漏扩散影响的数值模拟[J].浙江大学学报，2008，42（12）：2176-2180.
[3]薛海强，田贯三，王国磊.障碍物对可燃气体泄漏扩散影响的数值模拟[J].山东建筑大学学报，2010，25（4）：374-378.
[4]周轶，陆忠义，唐士军，邹永楠，杜畅. 重气扩散研究现状与进展[J].安全与环境学报，2012，03：242-247.
[5]何莎，袁宗明，喻建胜. 重气效应研究进展[J].中国测试技术，2008，4：112-114.
[6]刘茂.事故风险分析理论与方法[M].北京：北京大学出版社，2012.
[7]England W.G.，et al. 1990.Atmospheric dispersion of liquefied natural gas vapor cloud using SIGMET， a three dimensional time-dependent hydrodynamic computer model[C].Stanford：Stanford Univ.Press.
[8]Steven R. Hanna.2009.CFD model simulation of dispersion from chlorine railcar releases in industrial and urban areas[J].Atmospheric Environment， 43：262-270.
[9]丁信伟，王淑兰，徐国庆.1999.可燃及毒性气体泄漏扩散研究综述[J].化学工业与工程， 16：58-62.
[10]Britter R.E.and McQuaid J. Workbook on the dispersion of dense gases[J].HSE Contract Research Report， Sheffield， U.K.1988：7.
[11]Hanna，S.R.，Hansen， O.R.， Dharmavaram， S.2004.FLACS air quality CFD model performance evaluation with Kit Fox， MUST， Prairie Grass， and EMU observations[J].Atmos. Environ. 1986，38：4675-4687.