风速对油船VOCs瞬态泄漏扩散浓度分布影响数值模拟

2019-08-12朱柯壁吴文锋甄长文张建伟卢金树

浙江海洋大学学报(自然科学版) 2019年3期

朱柯壁，吴文锋，甄长文，张建伟，卢金树

(浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022)

当前我国港口大气污染较为严重，港口油船装卸货过程中排放的挥发性有机物VOCs(volatile organic compounds)等污染物向港区外围扩散，港区附近人体健康受到严重影响，同时在外部自然条件的影响下，污染物发生迁移，扩散到更远的区域，加重其危害。近年来，污染源污染物的泄漏扩散问题引起国内一些学者的关注。

目前，针对VOCs连续泄漏的问题很多学者已开展相关研究，赵晨露等[1]发现外界风速引起的泄漏点油气扩散系数大于油气分子在无风时的扩散系数。黄维秋等[2]模拟了汽油在限制空间的扩散排放，发现进油口高度越高，排放出的油气量越大。闫会宾等[3]针对海上油气的一个处理模块，建立了多组不同风速和泄漏速率组合的泄漏扩散CFD模型，深入讨论气体浓度的分布与形成规律，发现气体扩散后的浓度分布均可以在一定时间后达到稳定状态。然而，现阶段针对VOCs瞬时泄漏的扩散类分析却鲜有研究。

本文针对油船装卸货发生的VOCs瞬态泄漏事故，运用Fluent软件对其扩散过程进行模拟，考虑风速改变对扩散浓度分布的影响。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文假定某港区油船装货过程中突发原油泄漏事故，导致在瞬时产生大量VOCs气体。考虑到气体扩散范围较广，因此气体扩散空间模型选定为长350 m、宽115 m、高33 m的大长方体，瞬时泄漏源设置长为12.4 m、宽为6.2 m、高为13 m、容积为1 000 m3的小长方体(小长方体的x轴中心点坐标为 (40，0，0))。在空间范围内选取3个监测点：点 1(100，30，1.6)，点 2(160，40，1.6)，点 3(220，50，1.6)具体几何模型参数如图 1 所示。

图1 计算域模型Fig.1 Computing domain model

1.2 数学模型

挥发性有机物VOCs扩散过程中，所需控制方程主要包括一个连续方程、三个动量方程、一个能量方程和一个组分方程。由于大气环境是非定常湍流流动，因此还需要合适的湍流模型。

ρ 为混合物的密度，uj为 3 个方向的速度(υ，ν，ω)。

μ为流体的有效动力粘度，μt为流体的湍流粘度，g为重力加速度，P为绝对压力。

T为流体的温度，Cp为混合流体的定压比热，Cpv为泄漏物质的定压比热，Cpa为空气的定压比热。

ω为组分的质量分率，Dt为流体的湍流扩散系数。

(5)湍流模型

考虑湍流脉动速度的输运和湍流脉动长度的输运采用RNG κ-ε湍流模型，比较符合气体泄漏扩散的工况[4]。

湍流速度ut：

Gk是层流速度梯度产生的湍流动能，Gb是浮力产生的湍流动能，YM是过渡扩散产生的波动，C1，C2，C3，Cμ是常量，σk和σe是κ方程和ε方程的湍流Prandtl数，Sk和Se是用户定义的。模型常量G1e=1.44，G2e=1.92，Cμ=0.09，σk=1，σe=1.3。

2 数值模拟参数设置

2.1 扩散系数设置

VOCs的扩散系数决定着其运移与蒸发，本文采用Fuller经验公式[5-6]计算VOCs的扩散系数，该公式在本研究数值仿真的温度下计算准确度较高，其计算公式：

式中：DVA为气体扩散系数，m2·s-1；T 为液货舱内温度，K；P 为气体绝对压力，Pa；MV、MA为 VOCs与空气的摩尔质量，g·mol-1；VV、VA分别为VOCs及空气的分子扩散体积。

2.2 初始条件设置

在初始时刻，将泄漏源泄放物质浓度设置为1，计算域其余空间设置为空气，整体温度定为300 K，且假定在泄漏过程中温度不发生变化；压强为101 325 Pa，大气稳定度为D(-1℃/100 m)。流体进口界面(ADHE面)设置为速度进口；流体出口界面(BCGF面)设置为压力出口；EFGH面、DCGH面和ABFE面设置为自由界面；ABCD面设置为壁面。

2.3 进口风速设置

假定风向为恒风向，方向与X轴正方向一致。进口风速随高度变化的函数关系[7]如下所示：

uz为离地z高度上的平均风速(m·s-1)；u1为离地z1高度上的平均风速(m·s-1)(z1是标准参考高度，u1是标准参考高度处的平均风速，我国标准参考高度取为10 m)。

z0为粗糙度长度(cm或m)，z0是地面动力学粗糙度的一种度量，与粗糙度要素的高度有关，是粗糙度要素的形状和密度分布的函数[8]。本文z0取值为0.01 m。

本文设置3组不同风速的对比数值模拟。第1组试验10 m高风速设置为2.4 m·s-1，第2组试验10 m高风速设置为5 m·s-1，第3组试验10 m高风速设置为10 m·s-1(之后讲风速全部指10 m高风速)。

3 结果与分析

3.1 数值模拟验证

数值模拟结果与实验结果[9]对比情况如图2和图3所示。

图2 模拟数据与试验数据对比Fig.2 Comparison of simulated data and test data

图3 模拟数据与试验数据对比Fig.3 Comparison of simulated data and test data

从图2、3中可以看出：模拟数据与试验数据吻合较好，但二者初始浓度出现时间存在偏差。分析原因，首先由于试验条件、仪器精度等因素的限制以及试验忽略温度变化对蒸发速率及饱和浓度的影响，数值模拟结果与试验数据误差不可避免；其次，在数值模拟过程中风向不会发生改变，而在实测过程中风向可能会发生改变，由此引起初始浓度出现时间的误差。

3.2 VOCs扩散分析

为研究大气风速对扩散过程的影响，通过对不同风速计算得出VOCs的扩散云图，选取不同时刻Y=2 m处的XZ面上泄漏物质浓度云图如图4和图5。

图4 泄漏物质浓度云图Fig.4 Cloud of leaked matter concentration

图5 泄漏物质浓度云图Fig.5 Cloud of leaked matter concentration

由图分析可知，时间为0 s时(此时未发生泄漏)，VOCs被限制在容器内，其内部浓度即为初始浓度。当发生瞬态泄漏时，VOCs迅速向四周扩散。

对比分析风速为2.4 m·s-1时的浓度云图变化。当时间为0.8 s时，在气云上边界有明显的涡产生，时间为1.6 s时，上边界旋涡逐渐消失，扩散的距离明显增大。上述现象可以从两个方面加以解释：(1)在扩散过程中，由于VOCs受到重力影响，呈下降趋势，且密度越大其下降的趋势及速度越明显；(2)由于气体云受到风的平流输送作用的影响，在扩散过程中风加剧VOCs向下风向输送。时间为0.8 s时，由于气体的重力下降强于风的对流作用，造成了涡的产生；当速度为1.6 s时，主风向的平流输送作用占主导地位，加速气云向下风向扩散的同时，也遏制气云在竖直方向上的扩散。

分析风速为5 m·s-1时的浓度云图变化，对比速度为2.4 m·s-1，随风速增大，气云随风的运移速度加快，但是气云上边界的涡明显减小。相同时刻下，随着风速的增大，气云沿着风速方向运移的较为明显，风速越小的沉降现象越明显。风速的增大，风力对气云的平流输送作用大于重力作用，所以平流输送作用越显著。

对比分析表1可看出，扩散前期，主导物料运动的作用力主要为气云本身的重力及外界的风速，随着扩散的进行，重力作用渐渐变小，风速主导气云的扩散。

对比分析上表中云图，相同时刻下，随着风速的增大，VOCs扩散速度也随之增大，即风速加快了气体的运移。风速的增大引起脉动速度增大，随之湍流运动加剧，湍流扩散作用增大加速了气云的扩散。根据上面分析2 s内云图可知风速小的有明显沉降现象，随时间推移形成反向回流现象，风速为10 m·s-1的没有沉积现象，随之也没有反向回流现象。分析反向回流发生的原因，泄漏发生时VOCs迅速向四周扩散，在扩散初期，由于风速的影响，VOCs整体向下风向移动，由于重力作用的影响，形成了反风向流动。当风速足够大时，风的对流作用强于重力下降作用引起的反风向回流。即风的对流作用阻碍了反向回流的产生，也解释了风速较小的情况下，气云扩散初期在气云的上边界有沉积现象的产生。

3.3 风速对VOCs扩散浓度的影响

3个监测点的扩散浓度随时间变化曲线图如图6～8所示。

图6 监测点1浓度曲线图Fig.6 Monitoring point 1 concentration curve

图7 监测点2浓度曲线图Fig.7 Monitoring point 2 concentration curve

图8 监测点3浓度曲线图Fig.8 Monitoring point 3 concentration curve

对比分析图6～8可以看出两点：

(1)风速为10 m·s-1时，在时间为5.2 s时监测点1出现浓度变化，时间为7 s时浓度检测点1的浓度达到最大为0.29；当速度为5 m·s-1时，在时间为7 s时监测点1出现浓度变化，时间为9.8 s时浓度达到最大为0.21；当速度为2.4 m·s-1时，在时间为9.5 s时监测点1才出现浓度变化，时间为12 s时浓度达到最大为0.15。这说明随着风速的增大，会加剧风对气体云的平流输送作用，风速越大，输送作用越明显，同时浓度也越高。

(2)当速度为10 m·s-1时，从5.2 s到19 s监测点持续检测到浓度值变化；当速度为5 m·s-1时，从7 s到55 s持续检测到浓度值的变化；当速度为2.4 m·s-1时，时间从9.5 s起一直可以检测到浓度的变化。可以看出，风速越小，气云的扩散越慢，同时停留的时间也越长。

对比分析图6～8，同一风速下，3个监测点的浓度曲线(3个监测点设置的位置，与监测点距离泄漏源依次增大)，初始浓度出现时间随距离的增大而增大，初始浓度最大值随距离的增大而减小。相同的泄漏条件下，同一监测点，风速越大初始浓度出现的时间越早，风速越大的初始浓度最大值越高，风速小的浓度持续时间越久。通过事故后果及其危险性分析可以看出，风速较大时会加剧VOCs的扩散，随着扩散的进行，浓度在短时间内迅速减小直至不存在。当风速较大时，VOCs扩散快，危害时间较短，但由于到达了爆炸的下限值，所以被引燃或引起爆炸的可能性增大。当风速较小时，虽然气云扩散速度较慢，气云停留的时间长，但是扩散浓度低于爆炸下限值，所以降低了爆炸发生的可能性。因此当风速较大时，VOCs的扩散也会引起非常严重的后果。