基于FLUENT的LPG球罐泄漏扩散规律探究

冯博 马云龙 王家远

基于FLUENT的LPG球罐泄漏扩散规律探究

冯博1,2马云龙1,2王家远1,2

1.山东科技大学矿业与安全工程学院 2.山东科技大学省部共建矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地

针对液化石油气球罐泄漏扩散问题,基于计算流体动力学软件FLUENT,参照某型号球罐,建立球罐的三维模型。模拟得到LPG的泄漏扩散分布规律,并根据LPG的1.5%(φ)～9.5%(φ)爆炸极限确定LPG泄漏后的危险区域。模拟结果得出LPG泄漏扩散的规律并以此预测LPG泄漏扩散危险区域。为此类事故的预防、控制以及人员应急逃生等提供了参考。

球罐 FLUENT 天然气泄漏 扩散规律 数值模拟

液化石油气(LPG)的密度与空气相近,易在空气中扩散,并向地势较低处流动,在通风不良的情况下发生积聚,进而与空气混合形成爆炸性混合物[1-3]。球罐作为大容量、承压的球形储存容器,广泛应用于LPG等可燃气体的储存且储量巨大。大多数球罐一旦发生泄漏爆炸事故,往往会造成巨大的人员伤亡与财产损失[4-5]。所以,研究LPG储罐的泄漏扩散规律,对事故发生后的应急处理具有实际意义。

FLUENT是目前应用最广泛的数值模拟软件之一,在流体热传递和离散源的模拟方面有很大优势,并具有丰富的物理模型、先进的数值分析方法和强大的后处理系统。因此,本研究采用FLUENT软件模拟球罐泄漏扩散的过程,通过分析泄漏后达到爆炸极限的区域变化,为制定应急预案提供科学依据。

1 数学模型与基本条件假设

1.1 数学模型

LPG的泄漏扩散过程可以用CFD模型来计算。CFD模拟是基于基本的守恒方程(质量、动量、能量守恒方程等),在初始条件和边界条件的约束下进行数值计算,对指定的流场进行仿真模拟[6]。

本次模拟涉及到的方程如下。

(1)连续方程(质量守恒):

式中:ρ为气体密度,x为坐标,u为速度矢量,t为时间。

(2)Navier-Stokes方程:

式中:p为湍流有效压力;μ为层流黏性系数;μt为湍流黏性系数,μt=ρCμk2/ε,k为湍动能,ε为湍动能耗散率,Cμ取0.09。

(3)组分质量守恒方程:

式中,cs为组分s的体积浓度;ρcs为该组分的质量浓度;Ds为该组分的扩散系数;Ss为系统内部时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量,即生产率。

在本次模拟中的流场为湍流,故采用k-epsilon模型。该模型基于涡流黏滞度理论进行方程闭合,是适用面最广的湍流方程,适用于气体的扩散模拟[7]。

1.2 基本条件假设

模拟时假设和简化条件如下:

(1)LPG储罐发生泄漏后,泄漏源的源强为连续、均匀的。

(2)泄漏气体的质量是守恒的,在整个过程中不发生化学反应和相变。

(3)泄漏过程中,风向恒为水平方向,不随高度发生变化。

(4)不考虑气体的热传递[8]。

2 物理模型

2.1 模型构建

本次模拟的计算区域为长220 m、宽100 m、高60 m的长方体,其中左侧面为速度进口,地面为壁面,其他面为自由出流。球罐距离左侧面20 m。球罐半径为9 m,容积为3 000 m3,球心距地面10.6 m,由10根立柱支撑。根据情况划分网格,设定约束条件,最后以mesh文件格式输出。

网格生成情况如图1所示。

2.2 关键参数设置

(1)环境参数:环境压力为101 325 Pa,温度为300 K。

(2)风向沿Y轴正方向,风流为匀速,速度大小取3 m/s(山东省平原地区平均风速为2.5～3 m/s[9],本研究取较大值)。

(3)泄漏物参数:在LPG中,丙烷质量分数为90%以上,所以LPG密度取丙烷密度1.91 kg/m3,爆炸极限取较广范围1.5%～9.5%(体积分数,下同)[10]。

(4)泄漏源参数:泄漏孔为半径0.2 m的圆形,距地面10.6 m。LPG储罐发生泄漏时,因压力降低而气化,故属于气相泄漏。泄漏时气体流速为100 m/s,泄漏时间为170 s。

3 模拟结果分析

首先,通过k-epsilon标准湍流模型对风流场进行模拟,再通过Species Transport模型对瞬态(时间尺度)LPG扩散运输流场进行设置,采用simple算法进行求解计算。根据需要,提取不同时刻的数据对LPG的泄漏及扩散规律进行分析[11]。并依据相关的法律法规及生产经验,制定合理可靠的应急预案[12]。

3.1 气体泄漏后危险区域分析

LPG的爆炸极限为1.5%～9.5%(相应的质量分数为2.0%～12.7%)。在泄漏过程中质量分数高于爆炸上限的区域一般处于高于爆炸下限的区域内部,故将LPG质量分数达到爆炸下限的区域视为危险区域。

LPG泄漏的危险区域横向纵向上的扩散范围随时间变化的情况如图2所示。在0～70 s时,横向泄漏范围不断扩大且增长速度先增大后减小再增大,运用MATLAB拟合曲线为y=2.0212x3-31.036x2+160.86x-127.32,最大范围可达200 m;纵向范围呈线性增长,拟合曲线为y=12.069x-15.786,最大范围可达80 m。在80 s,横向范围骤降至150 m后维持稳定,纵向范围降至50 m后维持稳定。

气体泄漏扩散分为两个阶段。

第一阶段为加速阶段(0～70 s)。如图3所示,在泄漏初期,由于风速的影响,泄漏气体沿泄漏方向快速扩散,并在重力作用下迅速下沉,沿地表运动(LPG相对于空气密度为1.48)。在这一阶段,气体的扩散速度最快。但泄漏气体沿泄漏方向的流动速度逐渐放缓,向两侧的流动速度几乎不变。气体沿地表流动,并发生分叉现象,分为两股较小气流向两侧流动。

在横向上,泄漏气体一直进行加速运动,并在阶段末期达到最大范围。在0～40 s,气体从球罐喷出后受到空气阻力以及地面的摩擦阻力影响,运动速度逐渐降低;在40～70 s,气体的运动模式由空中喷射转为沿地表蔓延,在重力的作用下迅速扩散,运动速度逐渐降低,这一过程往往隐蔽迅速,能够造成重大人员伤亡和财产损失。

在纵向上,气体扩散速度均匀,以大约12 m/s的速度扩散。

第二阶段为平衡阶段(80～170 s)。如图4所示,泄漏气体分叉现象进一步加剧,扩散速度放缓。泄漏气体整体呈三角形沿地表蔓延。在这一阶段,LPG的扩散作用与对流作用达到平衡,使爆炸危险区域在一个稳定范围内波动变化。在横向上,泄漏范围稳定在153.69 m;在纵向上,泄漏范围稳定在52.28 m,泄漏面积稳定在4 017.46 m3。当气体运动从第一阶段向第二阶段发展时,无论是横向还是纵向都出现了急剧下降。这是因为气体在风流与重力的共同作用下,迅速扩散并在第一阶段末期达到最大泄漏面积。同时,也使得气体与空气的接触面积增大,致使对流加速,危险范围急剧降低。

3.2 气体泄漏呼吸带质量分数分析

人的呼吸带高度为1.5 m,同时这一高度也是人的主要活动聚集的高度,极易产生点火源,需要进行重点分析。由图5、图6及表1分析,可以看出气体的扩散区域前部为30°的三角形,后部为矩形。在面积变化上,LPG扩散面积随时间变化逐渐增大,且增速也随之增大。在形状变化上,三角形区域面积所占比例逐渐增大。在质量分数分布上,前期(0～20 s)扩散区域LPG质量分数较为均匀;中期(30～60 s)随着扩散范围的增大,中部区域出现质量分数较低的区域;到了后期(70～80 s),中部的质量分数较低区域逐渐增大,且随着时间变化,这一趋势愈加明显。

表1 距地面1.5 m处LPG扩散面积及三角形区域比例Table 1 LPG dispersion area at 1.5 m above the ground and proportion of the triangle area

3.3 泄漏后撤离线路分析

如图7所示,当泄漏发生时,处于距泄漏点较远的下风处危险区域的人员应该向泄露点两侧疏散,处于距泄漏点较近两侧区域的人员应该向上风处撤离。由图2的分析可知,在风向上的泄漏范围最远可达202.4 m,故在下风处202.4 m范围以内的人员应优先撤离。

4 结论

本文运用FLUENT软件中的组分输运模型对一起较为典型的LPG球罐泄漏事故进行数值模拟,较大程度上对LPG泄露扩散过程进行了真实还原,且具有一定的代表性,对生产事故的预防与应急处置有一定指导作用。根据模拟结果进行分析总结,得出以下主要结论。

(1)由模拟结果可知,LPG密度大于空气,会沿地表蔓延,在低洼处沉积。在日常的安全管理中,应杜绝地势较低处的点火源,并加强通风措施以预防积聚。

(2)在LPG泄漏的前期,其扩散速度极快,可在70 s短时间内达到最大面积,但随后可能发生爆炸事故的危险区域面积不再扩大,而是稳定在一个固定范围。

(3)在人员活动频繁的距地表1.5 m处,LPG气体覆盖区域前部为三角形,后部为矩形,并随着扩散的进一步进行,三角部分面积比例不断增大。根据模拟的结果,该区域应尽量避免动火作业。

(4)在制定安全对策措施时要考虑最不利的情况。由分析可知,发生泄漏后泄漏源下风处最先达到LPG的爆炸极限浓度,处于正下风侧方向的人员受到危害性最大,可用于疏散的时间最短,应对该区域人员进行优先撤离,而当风向为其他方向的时候,人的逃离时间相对长一些。

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Study on leakage and diffusion of LPG spherical tank based on FLUENT

Feng Bo1,2,Ma Yunlong1,2,Wang Jiayuan1,2
1.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,China;2.Key Lab of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,China

In order to study the leakage and diffusion of LPG spherical tank,a three-dimensional model of spherical tank by taking a spherical tank as reference,was established based on a computational fluid dynamics software FLUENT.The danger zone after the leakage of natural gas was determined according to LPG explosion limit of 1.5%-9.5%.Simulation results showed that the leakage and diffusion laws of LPG and further the danger zone of the leakage and diffusion of LPG could be predicted based on these factors.This paper provided a reference for the prevention,control and emergency escape of similar accidents.

spherical tank,FLUENT,LPG leakage,diffusion law,numerical simulation

X932;TE88

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.020

冯博(1994-),男,硕士研究生,现就读于山东科技大学,主要从事危险源辨识工作。E-mail:skfb1994@126.com

2017-06-05;编辑:钟国利