重气泄露扩散研究进展

， ， (云南省环境监测中心站，云南 昆明 650034)

重气泄露扩散研究进展

刘宏浩，邱飞，向峰
(云南省环境监测中心站，云南 昆明 650034)

介绍了重气扩散的主要研究方法和国内外主要研究进展。认为目前国内使用的重气泄露扩散模型主要是国外的一些模型，在模型的选取方面应该更加贴近实际情况，根据我国的地形气象特征，选取适合的符合我国环境条件的模型，并对相关模型参数以实际条件为基础进行改进和优化；传统的研究手段或方法应该更新或改进，使研究取得的数据更加真实可靠，研究结论更加科学可信。

重气；扩散规律；研究进展；综述

0 引言

石油化工行业作为基础性产业,为我国的农业、建筑、能源等各行各业提供支持。石油化工行业选择不同原料生产加工产品，这些产品中含有不同成分的易燃易爆、有毒或腐蚀性等物质。这些物质在储存及运输时存在安全隐患。如果这些物质由于某些原因泄漏出来，形成的气态物质密度大于空气密度，立刻会在大气中形成比空气重的重气。主要包括：液氨、硫化氢、氟化氢等。

重气泄漏后受环境因素的影响较大，如风速、地形、天气、空气湿度等[1]。泄漏的重气由于自身物理化学性质和外界条件的共同作用，垂直方向上在地面的浓度最大，且沿地表移动一段距离后靠地面的浓度不会明显减小。重气中含有的危险化学物质成分泄露到周边环境特别是地形复杂区难扩散、在居民区难消除，容易造成人员中毒受伤甚至引发火灾爆炸等重大的安全事故。国内外曾因危险化学物质泄漏发生过很多次重大事故，给国家和人民的生命财产安全带来极大损害。为预防重气泄露事故的发生及减少其可能产生的相对影响，提高安全性，有必要针对重气扩散进行深入研究。本文综述了重气泄漏扩散试验的研究方法和途径，总结了国内外研究现状及进展，分析了存在问题及未来研究趋势，旨在为重气泄露扩散研究积累基础资料。

1 现场试验

重气扩散模式研究采用的最基本和最直接的方法是现场试验。试验模拟场景与事故泄漏现场在泄露物质情况、外部的地形、天气等各方面因素及数据必须真实可靠，重现性好。现场试验重点模拟实际情形下重气的扩散规律、相关的安全性能以及相应的应急措施现场研究，通过实验可以观察到一些事故中没有发现的现象，可为预防事件的发生提供有效的试验数据，减少危险性。到1980年现场试验的研究规模空前盛大，也取得了相应的成果，主要研究的重气包括：石化天然气、液化石油气、液氨、氟化氢等。1980年，Burro Coyote试验在美国加州的China Lake由国家实验室Lawrence Livermore进行，通过液化天然气在水面上液池的蒸发扩散，在下风向距离泄露源 57m、140m、800m处分别检测天然气的浓度，对多组实验进行模拟对比，试验观察到蒸发扩散气体的前端出现分叉现象。1980年9月—1981年在英国国家海洋研究所MaplinSands进行的系列实验，通过连续和瞬时的泄露液化天然气和液化石油气来研究重气云团的热通量和气体的浓度，实验时泄露的液化天然气和液化石油气的体积范围为6～22m3及8～27m3，最大泄放速度分别为4.8m3/min和4.3m3/min。1982—1984年美国健康安全执行局进行的Thorney Islalnd试验，选择氟利昂和氮气的混合气作为介质在常温条件下利用混合气在现场瞬时释放进行试验，研究3种条件下2000m3重气可燃气体释放后的扩散分布。之后的劳伦斯利弗莫尔国家实验室Desert Tortoise试验选取介质为液氨，劳伦斯利弗莫尔国家实验室和Amoco oil公司Goldfish试验选取介质为液态无水HF，分别对扩散情况进行研究。从20世纪90年代开始现场试验研究相对较少。

现场试验是将事故发生的场景进行重现，真实度高，实验数据可靠。但是现场试验组织一次需要大量人力、物力、财力和时间来做支撑，特别在地形较复杂时，现场气象具有很大随机性，较难实现重现，人为改变和控制性难，实验在实际发生时可重复性、规律性差，实际应用性低，还会遇到难以预料和估计的困难。20世纪末现场试验基本停止。

缩尺现场试验法是一种简化的实验方法，是将实际情形缩小在野外进行。在满足相似准则的前提下，以真实的地形和气象条件为基础进行现场试验，再根据缩小比例按照相似条件进行换算。缩尺试验与现场试验相比较，实验需要的材料用量、人力、财力等相对较少，能节约成本，同时实验时在最大程度上减小释放物对环境带来的影响，特别是在一些危险性较高的重气实验时能减少潜在的风险。此法同样遵循相似条件，在释放源条件满足相似的基础之上，地形气象条件完全满足相似，实验结果在一定程度上能反应区域真实流场规律。但是其根本缺点在于试验的重复性差，实验的精准度达不到现场试验水平。

2 实验室模拟试验

实验室模拟试验是重气扩散不同于现场试验研究的主要手段，是在不同的气象条件和地形状况下，在水槽或风洞中模拟研究危险重气扩散。实验室模拟试验可调控影响因素，模拟可能出现的重气泄露场景，具有重复性高、监测效果好、具有实际的指导作用、应用性强等特点。实验室模拟在试验中易观测气体物理扩散过程中的各种情况，并能得到扩散各个阶段的数据，可对数据进行利用和建立相对的扩散模型。

2.1 水槽模拟

水槽模拟试验是将清水中不含气体且不同密度的盐水注入到水槽中，盐水在槽中的水扩散过程中形成稳定的边界层，通过盐水在水中的流动类似于气体泄露扩散现象来进行对比模拟。水槽模拟试验可清晰、直接地观测到盐水的扩散现象，并能实时监测到盐水液体的流动速度、密度等，对各个扩散阶段能直观地拍照记录；该试验使用盐水代替重气对环境无污染、无毒性，对实验者无伤害。由于盐水试验和重气的泄露扩散在源强分布G、雷诺数Re、弗劳得数Fr、施密特数Se等系数分别对应相等，物理条件和几何空间、状态以及试验过程和结果类似，因此通过盐水的水槽试验来说明重气泄露扩散具有可替代性。在水槽中可设置和泄露现场相似的外界条件，得到相应的试验数据，提供研究方法和研究途径。

2.2 风洞模拟

风洞是通过人工产生和控制各种物理条件，模拟飞行器运动和周围气流状态，研究气流对物体的作用及观察的一种试验设备。在风洞中研究流体力学和模型的作用，了解风洞内部的空气动力学特性，同时可以模拟气体在自然条件下的扩散。风洞模拟随着航空事业的发展逐渐发展起来，随着科学技术和工业的发展，风洞实验技术迅速地向许多非航空领域扩展，渗透到各种流体动力学领域，出现了许多非航空风洞。环境风洞就是非航空风洞中最重要的一种。风洞模拟是研究区域流场及污染物扩散特征的一种重要手段。其优点是实验条件可控，重复性好，费用相对现场试验较低，能够直观地模拟现场流场。风洞模拟时，研究的原型和模型物的相似度影响试验结果的可靠性。风洞试验模拟选取适当的模型比例对是否能较好地重现重气泄露现场气体流动特性的研究、试验数据的转换和科学计算及可能造成的影响和伤害有着非常重要的作用。

1982年，Merony[2]用风洞模拟试验模拟弗劳得数Fr，同时为了增大风速使弗劳得数满足试验中重气体的密度，全面释放气体扩散。试验受到风洞设备和气体等的限制。模拟试验是为了预测有害化学物质丙烷、丁烷、氯、液化天然气、氟利昂等排放到地球边界层的影响。1986年Krogstad[3]等试验研究了边球形状连续释放的烟羽云，其中心线和云的边缘都有很强的浓度梯度，云的形状通过速度和浓度来记录，建筑物的模型被置入其中，通过与模型的相互作用研究对烟羽云的改变影响，且剪切流的障碍物底部发现的马蹄形涡流系统，将墙壁的浓度降低到非常低的水平，体积都低于2%。表明该效果取决于云与模型高度的比值。1991年，Koning-Langlo[4]等研究了瞬时的离散情况，以及连续释放到边界层的剪切流扰动和不受表面障碍的干扰。通过对源参数的修改，对扩散云的热力学影响进行了分析，描述了在不利大气条件下，比空气重的气体更低的可燃性距离的测定方法。 1993年，chatzman[5]通过风洞试验研究确定气体喷射密度比空气密度大的分布特征，用照相法和浓度测量法对射流扩散进行了研究。结果对比表明最显著的差异是在高密度的弗鲁德数。1996年，Sweatman[6]等研究瞬间释放致密气体云所产生的剂量具有的实际重要性，测量暴露的有害影响。

国内张启平[7]利用神经网络元网络功能进行仿真对重气扩散过程进行模拟。胡世明[8]等采用现场试验对重气扩散数据与扩散模型模拟进行了对比验证。张朝能[9]对重气浓度采用三维计算流体力学，并进行场景网格划分，说明边界条件，使用Gambit虚拟功能，生成网格，再运用Fluent数字模拟，重气扩散过程采用SIMPLE算法，对不同因素风洞试验中的观测点的风速与高度变化规律和浓度进行验证。试验结论为重气扩散过程中重气效应明显，重气浓度差异较大；是在控制的泄放质量流率等试验条件不变的情况下，湍流扩散系数与地面粗糙度、下风距离、大气稳定度、大气压和气温共同影响作用的。姜传胜[10]等在风洞中连续对重气的泄露与SLAB重气扩散模型进行数值模拟得出的结果基本吻合，在扩散试验时近源区存在交叉现象。

3 模型研究

模型作为一种重要的评估工具被用于城市空气质量评估，为污染控制战略及决策制定提供支持。重气扩散模型通过数学建模，成为分析重气泄露污染、对环境空气质量进行定量和定性研究的重要手段，是试验和模拟大气污染物时空分布的主要工具，为在泄露发生时应急防护提供理论支持，也是制定法规与控制对策的理论依据。

20世纪70、80年代，国外就开始了对重气泄露扩散方面的一系列研究，开展了大量不同重气的现场实验，为重气扩散的理论建立提供了可靠数据，因此而得出和建立了多种重气扩散模型。从20世纪70年代起，国外根据现场试验相继建立和不断完善了一系列的重气扩散过程分析模型。Van Ulden[11]提出了箱模型，Manju[12]进行开发和验证并计算效率稠密气体分散模型用于应急，IIT重气体模型I和II为瞬时和持续浓密的大气中有毒物质，强调对相关领域模型验证与性能试验数据及其他模型进行对比。

国内对重气扩散数学模型的研究起步较晚。1996年原化工部劳动保护研究所运用实验数据、物理模拟和数学模拟开发HLY模型及计算机仿真，建立模拟和管理系统[13]。潘旭海[14]等对重气团泄露扩散采用插分和牛顿迭代法进行试验模拟，且试验和模型模拟对比分析误差较小，证明重气瞬时泄露扩散模型的模拟精准度高。郑远攀[15]对国内外现有的模型进行总结，并指出国内现有提高的模型，并需要特定的数学全过程模拟、与GIS和GIS系统融合使模型更加具有实用性。李剑峰[16]等研究山地如何选择湍流模型，试验以ANAYS的FLUENT进行大范围重气扩散数值模拟。朱红萍[17]以VisualBasic和Fortran为语言工具，在TECPLOT平台上进行图形可视化输出，建立了模型SLAB的重气泄露评估致死区、重伤区、轻伤区和吸入反应区的后果和重气理化参数信息库，表现出不同区域的危害，能为事故的预防、发生等提供重要作用，提高参考价值。

4 结论及建议

目前国内使用的重气泄露扩散模型主要是国外的一些模型，引入国外模型的本土优化是一个重要的课题。此外，人类对大气物理、大气化学等自然现象的认知水平有限，实验、观测、分析技术手段不足，模拟结果与真实值难免存在误差，今后在模型的选取方面应该更加贴近实际情况，根据我国的地形气象特征，选取适合的符合我国环境条件的模型，并对相关模型参数以实际条件为基础进行不断改进和优化。在越来越多新兴技术的发展前提下，传统的对重气泄漏扩散规律的研究手段或方法应该进行更新或改进，使研究取得的数据更加真实可靠，研究结论更加科学可信。

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ResearchProgressofHeavyGasLeakage

LIU Hong-hao, QIU Fei, XIANG Feng
(Yunnan Environmental Monitoring Center, Kunming Yunnan 650034 ,China)

Heavy gas diffusion was reviewed as well as the main research methods and research progress both at home and abroad. At present, most heavy gas diffusion models came from other countries. More suitable models that fitted to China's environmental situations should be improved based on China's geography and climate. The traditional research method needed to be innovated in order to obtain more real and accurate data and scientific conclusions.

heavy gas; regularity of diffusion; research progress; summary

2017-05-11

X16

A

1673-9655(2017)06-0064-04