风速对煤气泄露扩散影响的数值模拟

姚　娜　张云鹏　刘王政

(华北理工大学矿业工程学院)



风速对煤气泄露扩散影响的数值模拟

姚娜张云鹏刘王政

(华北理工大学矿业工程学院)

摘要运用CFD中流体力学数值模拟软件Fluent，模拟了不同风速对煤气泄漏扩散过程的影响，得到煤气泄漏后CO浓度随风速变化的扩散规律，及不同风速煤气中毒范围的作用效果，为煤气泄漏救援提供了安全撤离的依据。

关键词煤气泄漏数值模拟中毒范围

目前煤气在各行业中被广泛应用，例如钢厂、化工、机械制造等，但煤气中含有H2、CH4和CO，为易燃且有毒气体，一旦发生泄漏，可引起中毒及燃爆。2005年，首钢动力厂煤气发生泄漏事故，导致11人死亡，多人重伤[1]。所以，研究风速对煤气泄漏扩散规律的影响，对事故发生后人员的安全撤离具有实际意义。

Fluent是当前功能比较强大，在处理污染物扩散和风场变化的相关问题时，得到广泛应用的计算流体力学软件。在国外，Chang等研究人员运用Fluent对污染物在城市街区的扩散情况进行数值模拟，对比模拟结果与风洞实验结果分析，两结果的吻合性良好；国内学者在模拟有害气体扩散方面应用Fluent也取得了一定成果[2]。因此，本文采用Fluent软件模拟不同风速下煤气泄漏扩散特点，制定安全撤离范围。

1模型建立

以30 000 m3，高28 m，工作压力4 kPa，直径40 m 的焦炉煤气柜为例[3]，根据人体吸入气体的高度，泄漏口位置设在距地面高度为1.5 m处，计算区域为长600 m，宽200 m，高120 m的长方体。在长方体左侧面距地面1.5 m高处设半径约0.1 m的圆形作为质量入口，环境压力为101 325 Pa，环境温度为300 K，计算区域左平面设为速度入口，除地面以外，长方体其他区域面均设为自由出流[4]。根据要求划分网格，设定边界条件，最后文件以mesh格式输出[5-6]。整个计算域如图1所示。

图1　泄露区域模型

2气体泄漏量计算

在以往煤气管道泄漏事故中，往往是管道壁出现孔口或裂缝，煤气泄漏的速度与其在裂口的流动状态及其释放压力等众多因素相关，而流动状态是最主要因素。所以，在统计煤气柜气体泄漏总量时，必须首先判断泄漏时放出气体的流动速度是声速(超声速)还是亚声速。如果以声速或者超声速状态流动，则称其为临界流；如果以亚声速状态流动，则称其为次临界流[7]。如果式(1)成立，则泄漏气体属于声速流动状态：

(1)

式中，P1为泄漏部位内部气体压力，Pa；P0为标准大气压，Pa；k为泄漏气体的绝热指数，为一定压力下比热容Cp与一定容积下比热容Cv的比。

当煤气柜泄漏气体以声速状态泄漏时，其泄漏的速度为：

(2)

当煤气柜泄漏气体以亚声速状态泄漏时，其泄漏速度为：

(3)

式中，Q0为煤气柜气体泄漏相关速度，kg/s；Cd为煤气柜泄漏气体相关系数，当泄漏裂口形态为圆形时取Cd=1.00，三角形时取Cd=0.95，长方形时取Cd=0.90；k为泄漏气体相关绝热属性指数，如果气体分子为双原子分子时取k=1.4，如果气体分子为多原子气体分子时，取k=1.29，如果气体分子为单原子气体分子时取k=1；A为裂口面积，m2；M为相对分子质量，kg/mol；P为容器压力，Pa；T为气体温度，℃；R为理想状态下气体的普氏比例常数，8.314 J/(mol·k)。

随着煤气柜内气体的泄漏，气体在泄漏口的流动速度逐渐变化，泄漏速度的变化是非线性的，但可以用等效泄漏速度表示。

3Fluent求解

Fluent读入mesh文件并检查网格划分情况，选择Pressure Based求解器，选择湍流模型k-epsilon(2eqn)，模型涵盖的基本计算方程如下：

质量守恒方程：

(4)

动量控制方程：

(5)

组分传输方程：

(6)

4中毒区域划分与模拟结果

根据煤气(CO)毒性浓度，将其影响范围划分为3个区域：致死区、重伤区、轻伤区[8]。根据刘祖德等的研究成果，参照世界各国及地区标准选取出3个临界浓度，分别为致死区域外部气体浓度值1 170 mg/m3、重伤区域外部气体浓度值292.5 mg/m3和轻伤区域外部气体浓度值58.5 mg/m3[9]。风速分别取0，2，4，6，8 m/s，在不同风速下，CO 3个临界浓度危险区域云图如图2所示。

图2　不同风速时CO浓度云图

根据z=0平面上的plot图表，以泄露点为起点，以临界浓度边界为半径的最大中毒区域与风速的关系如表1所示。

表1　不同风速下各临界浓度区域范围

分析表1可知：风速为0时，扩散表现为在浮力的作用下上升并扩散，从云图中可以看出，云图纵向距离较大，风速增大时，扩散更多地表现为风对煤气的平流输送作用，所以横向距离变大，纵向范围减小；从 0 m/s增大到 8 m/s，致死区域的半径并没有发生很大的变化，在60 m左右波动，重伤区域大多在80 m波动，而轻伤区域半径随着风速的增大，其变化趋势是先增大后减小。分析其原因可能是影响煤气扩散过程的主要因素为射流动量、浮力、风速和时间。当煤气柜出现破裂后，由于柜内压力比外界大气压大很多，导致煤气从气柜内泄漏到柜外时的速度很大，瞬间喷射而出，此时沿泄漏初始方向的气体与空气混合后仍以较大的速度蔓延扩散，所以在这一初始扩散过程泄漏时，初始动量控制气体扩散；扩散稳定后，在60 m与80 m处形成涡旋，导致CO浓度基本保持不变，随着喷射距离越来越大，气体本身的速度逐渐下降，因为CO的密度与空气相差不大，所以浮力的作用效果不明显，相对来说风速开始占主导地位。随着风速的增大，扩散范围变大，说明风速在此时起到带动作用，使同一地点CO浓度逐渐增大；当风速继续增大时，轻伤区域范围反而在逐渐减小，可能是因为风速在带动CO向远处扩散的同时，还起到了稀释作用，而此时稀释作用大于带动作用。

5结论

运用Fluent模拟风速对煤气扩散的影响规律。风速为0时，为浮力作用下的上升扩散表现明显；风速较大时，风速对煤气扩散的影响起平流输送或稀释有毒气体的作用。

煤气扩散在风速的作用下，致死区域半径在60 m处波动；重伤区域在80 m处波动，煤气泄漏初始速度大，风速对初始射流段的影响并不明显，且在60 m与80 m处形成涡旋，其浓度变化不大。风速增大到2 m/s时，轻伤区域范围增大，增大到4 m/s时，其范围开始减小，随着风速越来越大，轻伤区域范围逐渐减小至330 m。根据模拟结果,如若发生泄漏事故进行救援时，安全撤退的距离可以以此为参考依据。

参考文献

[1]贾世国.工业场所煤气泄漏扩散的数值模拟[D].北京：首都经济贸易大学，2007.

[2]汤民波,周新明,王桂清.有风情况下氯气泄漏扩散数值模拟研究[J].山东化工,2014(1):28-30.

[3]高炳志,郑飞,李晓理,等.钢铁企业燃气系统建模及调度研究[J].控制工程,2012(3):543-546，550.

[4]贾小平,赵萌飞,宗磊强,等.滩涂车辆气垫垫升状况的仿真研究[J].机械设计与制造,2010(4):99-101.

[5]张楠.节流芯轴液气缓冲器特性研究[D].大连：大连理工大学,2013.

[6]朱刘英,彭天好,胡佑兰.三维模型的差异对CFD计算结果影响的研究[J].机械设计与制造,2009(11):90-92.

[7]钟委,涂锐,杨健鹏,等.不同风速作用下半水煤气泄漏的数值模拟[J].工业安全与环保,2013(6):19-22.

[8]刘晓君.开封市近60年温度和降水年际变化分析[J].河南科学,2012(9):1327-1330.

[9]刘祖德,闫罡星,赵云胜.钢铁企业开放空间煤气扩散规律研究[J].中国安全生产科学技术,2009(4):64-69.

(收稿日期2015-11-01)

Numerical Simulation on the Influence of Wind Speed to Gas Leakage Diffusion

Yao NaZhang YunpengLiu Wangzheng

(School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology)

AbstractThe influence regularity of different wind speed to gas leakage diffusion is numerical simulated based on the fluid mechanics numerical simulation software Fluent in CFD.The diffusion regularity of CO concentration change with wind speed after the gas leakage is obtained,besides that,the diffusion effects of the gas poisoning scope under the conditions of different wind speed is studied to provide the reference of safety evacuation for the gas leakage rescue.

KeywordsGas leakage, Numerical simulation, Poisoning scope

姚娜(1990—)，女，硕士研究生，063009 河北省唐山市新华西道46号。