渔船密闭舱室内氨气泄漏数值模拟

周建瑜，范益东，谢永和

(1浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山 316022；2舟山技师学院，浙江 舟山 316022)

冷藏加工船、捕捞船和水产运销船等现代渔船大多使用氨制冷系统，内有单独的冷藏间与冻结间[1]。近些年渔船氨气泄漏事故频发，给渔区作业人员的人身安全造成了巨大威胁[2]。一些学者根据几个经典数值模型对气体泄漏扩散进行了计算研究[3-6]。最近几年，运用CFD方法研究气体扩散受到越来越多人的关注。张俊飞等[7-8]使用Fluent软件研究氨气在不同风向、不同风速以及障碍物下的质量浓度分布。沈艳涛等[9]利用CFD进行了有毒有害气体泄漏扩散模拟研究。关忠慧[10]研究液氨站房的通风安全问题，建立了氨气泄漏数值模型，准确划分了氨气扩散的死亡半径。还有一些研究人员在实验室进行了危险气体泄漏扩散试验[11-17]。以上研究未考虑封闭空间内氨气泄漏的模拟，没有涉及泄漏方向的影响，对气体探测器安装位置的选取也很少提及。

基于Fluent软件对密闭舱室氨气泄漏过程进行了数值模拟，研究氨气在不同泄漏方向和不同泄漏位置下的质量浓度分布，其结果可以为氨气泄漏探测装置的安装提供理论依据。

1 氨气泄漏的数学模型

1.1 数值模拟简化

在进行氨气泄漏扩散过程的数值模拟前，需要进行一些简化与假设[18]：1) 假设氨气和空气在模拟过程中为理想气体；2) 把空气质点的平均运动看作是不可压缩流体的运动；3) 氨气扩散过程中无相变与化学反应；4) 假定泄漏过程中温度不变，不考虑氨气与舱内气体的温度差异及与外界的热量交换；5) 忽略重力的影响。

1.2 数学模型相关公式

质量守恒方程[19]：

(1)

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；uj为三个方向上的速度分量(u、v、w)，m/s；Sm为质量源项，kg/(m3·s)。

能量守恒方程：

(2)

式中：ρ为密度，kg/m3；T为内能，J；t为时间，s；ui为速度在x，y，z三个方向的速度分量，m/s；k为导热系数，W/(M·k)；CP为比热容；St为能量源项，J/(m3·s)。

动量守恒方程：

(3)

式中：ρ为密度，kg/m3；ui为速度在x，y，z三个方向的分量，m/s；uj为三个方向上的速度分量(u、v、w)，m/s；t为时间，s；μ为动力黏度，N·s/m2；P为扩散开始时的压力，Pa；Si为广义源项。

组分输运方程：

(4)

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；Cs为组分s的质量分数；Ds是扩散系数。

湍流控制方程：

湍动能与耗散率的计算方程如下式：

(5)

(6)

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；Yε和Yk为湍流耗散项，Gε和Gk为湍流产生项。

2 氨气泄漏的几何模型

2.1 几何模型的构建

渔业船舶配备的冷冻舱室长期处于封闭状态。本文以冷冻舱室为模拟对象，建立了舱室的二维数值模型，其原点设置在左下角，模型尺度按实际舱室的大小选取，宽度为6 000 mm，高度为3 000 mm，氨气泄漏源设置在中部，如图1所示。

图1 舱室模型

为了得到氨气泄漏探测装置的合理安装位置，在气体易聚集的危险位置设置监测点，其中P1～P6为气体探测器预安装的监测点，P7～P9为作业人员在工作时的接触高度处设置的监测点。另外，P1～P3设置在舱壁附近并预留出一定的安装距离，P4～P6设置在舱室顶部附近并预留出一定的安装距离，各监测点位置如表1所示。

表1 各监测点位置

2.2 网格划分

利用ANSYS公司旗下的ICEM软件[20]，将整个舱室划分为疏密程度不同的几个计算区域，其中泄漏口四周为网格局部加密的区域，网格大小为1 mm；从局部加密区以1.1倍率开始加粗网格，离泄漏点越远，网格越大，网格最大值为20 mm。网格划分多为四边形网格，网格总数量为27 966，如图2所示。

图2 网格划分

2.3 边界条件

泄漏点所在壁面设为质量入口，两侧为固体壁面，无边界滑移。

k方程的边界条件为：

(7)

ε方程的边界条件是：

(8)

式中：Cμ、k为常数；Kp为湍流动能；yp为P点到壁面的距离。

2.4 初始条件

本次氨气泄漏属于音速流动，泄漏速率计算公式为[21]：

(9)

式中：Q0为气体泄漏速率，kg/s；Cd为气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90，泄漏口假定为圆形，因此取1.00；气体泄漏前压力P为0.5 MPa；M为相对分子质量，氨气为17；k为绝热指数(等压比热容与等容比热容的比值)，查常用气体的绝热指数表知，氨气为1.313；普适气体常数R一般取8.31 J/(mol·K)，环境温度T为323 K；泄漏面积A为1×10-6m2；由计算可得：Q0=0.026 8 kg/s。故泄漏口氨气的泄漏速率为0.026 8 kg/s，外界环境温度为323 K。

3 模拟结果与分析

3.1 垂直泄漏状态

开放空间下，风速与障碍物对氨气扩散影响显著[22]。而密闭空间内，氨气泄漏扩散主要受壁面约束及自身密度影响。图3为氨气在垂直泄漏状态下不同时刻的质量浓度分布图。在内外压力差的作用下，氨气从泄漏口位置喷射而出，泄漏一半高度后发生不规则的飘逸运动，当接触到舱室顶部时，遭受阻力作用，开始沿着舱壁往下扩散。

图3 垂直泄漏状态下不同时刻的氨气质量浓度分布

图4为氨气在垂直泄漏状态下各监测点的质量浓度变化图。观察P1～P6点氨气质量浓度变化图可知，监测点P1～P3检测到氨气泄漏较为迟缓，处于泄漏位置斜上方的监测点P6于3.8 s检测到氨气泄漏，比监测点P5快了1.1 s。由此可以断定泄漏点正上方位置并不是最先检测到氨气泄漏的地方。

分析P7～P9点氨气质量浓度变化图可知，离泄漏点位置最近的P8处氨气质量浓度变化最快，仅1.2 s就检测到氨气泄漏，而泄漏点左上方的P7处，11 s前甚至还未能检测到氨气泄漏。由此可见，氨气刚泄漏时，气体探测器读取的数值并不能表示实际氨气质量浓度。当氨气处于垂直泄漏状态时，较高位置处的气体探测器对氨气泄漏质量浓度变化的检测更为精确。为了减少氨气垂直泄漏所造成的影响，气体探测装置建议布置在P4～P6附近位置。

图4 垂直泄漏状态下各监测点的氨气质量浓度变化

3.2 倾斜泄漏状态

图5表示氨气在倾斜泄漏状态下的泄漏轨迹。由于左右对称，本文仅研究氨气向右舱壁倾斜泄漏的状态。在倾斜泄漏状态下，氨气贴近地面扩散，在4 s时靠近舱壁。在侧向壁面的约束下，沿壁面上升直到完全占满冷冻舱室。

图6为氨气在倾斜泄漏状态下各监测点的质量浓度分布图。

图5 倾斜泄漏状态下不同时刻的氨气质量浓度分布

图6 倾斜泄漏状态下各监测点的氨气质量浓度变化

此状态下，P9最先检测到氨气泄漏，垂直高度为2 800 mm的P6第二个检测到氨气泄漏。两者相差了近4 s，可见不同监测点的氨气泄漏检测严重滞后。泄漏点左上方的检测点P5紧随其后，壁面附近的P1～P3监测点最迟检测到氨气发生泄漏。最终，P1处检测到氨气质量浓度最高。壁面附近氨气质量浓度的升高是泄漏点处氨气扩散和空气流动输运其他位置氨气的共同作用结果，输运方向为竖直方向[23]。为了减少氨气倾斜泄漏所造成的影响，气体探测器建议布置在P5～P6附近位置。

3.3 不同泄漏方向

对比图4和图6可知，泄漏位置在中部时，泄漏方向的变化对舱壁与舱顶附近监测点的检测几乎没有影响，而对作业人员在工作时接触高度处设置的监测点的检测影响较大，尤其是位于泄漏点正上方的P8。这说明气体探测器预安装监测点的选取较为合理。所以，氨气泄漏探测装置沿舱顶或舱壁布点，这与冷冻舱室制冷管架的布置位置也基本一致。

3.4 泄漏位置靠近舱壁

由于左右对称，将泄漏源设置在靠近前舱壁1 000 mm处，作为泄漏源设置在中部的比较对象，泄漏速率仍为0.026 8 kg/s。图7表示氨气分别在2、4、8和16 s时的氨气运动轨迹。当氨气到达500 mm左右高度位置后呈云纹状上升。在8 s以后，氨气接触壁面并沿壁面缓慢升高，之后飘落产生漩涡并形成堆积，直到完全占满冷冻舱室。

图7 不同时刻的氨气质量浓度分布

图8为氨气在各监测点的质量浓度分布图。由图可知，靠近泄漏点的P1～P3处先检测到氨气泄漏且质量浓度较高，其中高度为1 000 mm的P1处最先检测到氨气泄漏且浓度变化最快，之后氨气质量浓度一直起伏上升，该点氨气扩散运动并不稳定。高度为1 500 mm的P2处和高度为2 000 mm的P3处也较快检测到氨气泄漏，但是氨气扩散后基本集中在P1处附近。可见，泄漏位置靠近舱壁时，泄漏点附近监测点最先检测到氨气泄漏，距泄漏点的距离增加，氨气质量浓度逐渐降低。

图8 各监测点的氨气质量浓度变化

针对泄漏源设置在靠近前舱壁1 000 mm处的情况，P1处最先检测到氨气泄漏，但其质量浓度变化最不稳定，因此在P1处设置监测点并不合适。气体探测器建议布置在P2～P3处附近位置。

3.5 不同泄漏位置

对比图4和图8可知，泄漏位置的变化对监测点的氨气质量浓度检测影响较大。当泄漏点位于靠近前舱壁1 000 mm处时，舱壁附近的监测点P1～P3很快检测到氨气泄漏，其中P1处检测到氨气泄漏比泄漏点设于中部位置的情况整整快了8 s左右。在事先不能确定泄漏点位置时，舱壁附近安装氨气泄漏探测装置是非常必要的。对于监测点P4～P9，泄漏位置在中部时能更快检测到氨气泄漏。所以，舱顶和舱壁都需要安装氨气泄漏探测装置，这样才能保证氨气泄漏时尽快检测出来，及时做出应对之策。

4 结论

对渔业船舶冷冻舱室内氨气泄漏扩散模型进行的数值模拟研究，可得出如下结论：1)氨气泄漏扩散的速度较快且短时间内可达到较高质量浓度；2)氨气质量浓度随高度的增加而不断升高，舱室顶部的氨气质量浓度高于底部；3)较高位置处的监测点对氨气泄漏质量浓度变化的检测更为准确；4)不同监测点的氨气泄漏检测具有一定的滞后性；5)泄漏点靠近舱壁时，氨气在舱壁附近质量浓度较高；6)氨气泄漏探测装置的安装应优先考虑舱室顶部和舱壁较高位置。本研究还未实现泄漏源的定位问题，后续考虑根据氨气浓度值来推算出泄漏点的大致位置。

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