可喷射水幕的水马装置设计及参数分析

田震 薛君 唐春来 毛新

(1.华南理工大学安全科学与工程研究所 广州 510641； 2.广东长大道路养护有限公司 广州 510620)

0 引言

据统计，目前我国危险货物道路运输企业有12 525家，37万余运输车辆，运输总量超过10亿t[1]。与此同时，危险化学品道路运输事故也呈现逐年递增的趋势，其中危化品道路运输泄漏事故发生概率最高，占事故总数的52.9%。危险化学品道路运输泄漏事故突发性强，对现场挥发的有毒气体或可燃气体难以快速采取控制措施，容易导致交通瘫痪，给人们的生命与财产带来严重的威胁。

水幕是一种公认的能有效控制气体扩散的安全技术方法，可安全、高效、快捷地阻隔气体向敏感地带扩散。国外对水幕稀释重气云扩散研究开展的较早，1983年，HESKESTAD G等[1]最早通过实验研究证明了水幕可以有效地稀释LNG气云扩散。HANSEN O R等[2]和MORSE T L等[3]对水幕稀释和阻隔气体扩散的机理做了初步研究。2010年，RANA M A等[4]开展了多次LNG 泄漏现场试验，首次探索了不同形式水幕在减小LNG 气体危险区域的作用及机制。2016年，QI Min等[5]研究了水幕稀释效率的影响因素。我国在水幕防护方面的研究起步较晚，2010年，张洪雪等[6]首次在风洞内进行水幕阻挡二氧化碳气体扩散的实验，证明了水幕能降低下风向重气云的体积分数。2016年，孙铖等[7]通过敞开空间水幕稀释阻挡CO2扩散试验，研究泄漏源高度、水幕流量及泄漏流量等因素，提出了无量纲准数的概念。

在危化品道路运输泄漏事故发生时，如何实现道路分道隔离，同时阻隔稀释可燃气体？本文研究了一种恒压喷射水幕的危化品泄漏应急处置用水马，可为道路封闭决策或分道隔离提供技术参考。

1 可喷射水幕的水马装置设计

1.1 结构设计

水马的结构形式如图1所示，主要由储液瓶、储气瓶、减压阀、放气阀、单向阀、安全阀、减压阀、喷头等构件组成。

1.2 工作原理

水马工作原理如图2所示，在水马内腔设置压缩氮气储气瓶和水储液瓶。使用时打开气瓶启动阀门，压缩氮气经减压阀减压为低压气体通过耐压软管进入储液瓶，将储液瓶中的水压出，水幕喷头将流入的水迅速形成水幕，以一定的速度喷出，用于阻隔稀释气体。压力表用于显示储气瓶压力，当气瓶压力超过额定压力时，安全阀开启泄压，保护系统安全。储液瓶排气阀用于排出液瓶中的余气，单向阀用于防止液瓶中的水倒流，影响减压阀性能。

1-喷头；2-排气阀；3-进水口；4-虹吸管；5-储液瓶；6-出水口；7-自动补水阀；8-储气瓶；9-耐压软管；10-进气组件；11-启动阀门；12-减压阀；13-单向阀

图2 水马工作原理

1.3 技术参数

目前水幕多用于建筑防火分隔和防护冷却，现行国家标准GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》和GB 50084—2017《自动喷水灭火设计规范》中对灭火作用的水幕基本设计参数均有相关规定，但对于阻隔稀释有毒有害气体的水幕应用较少，因此参考规范确定水马主要技术参数如下。

气瓶容积：10 L;气瓶额定压力：1.4 MPa;喷水强度： 4L/(min·m2);喷射时间：≥10 min(连续供水时可持续喷射);储液瓶容积：80 L;安全阀开启压力：1.6 MPa。

2 模型设置

参照某高速公路发生的甲醇罐式运输车辆泄漏事故建立物理模型，运输车罐体有效容积:22.5 m3，罐体外形尺寸(直径×长)为1 960 mm×9 000.3 mm。运输车在双向六车道的货车行驶道发生泄漏，泄漏源位于甲醇运输车储罐尾部，泄漏口为半径0.05 m的圆形，与地面的垂直距离为0.7 m，泄漏形式为连续泄漏。在1号、2号、3号、4号位置距离地面高度1m处设置监测点，如图3所示。

选取计算域为87 m×40 m×24 m(X×Y×Z)的长方体，计算域网格划分采用非线性不均匀的六面体结构化网格。X轴正方向为风向，出口为压力出口，Y轴负方向为重力方向，如图4所示。泄漏中心坐标(1.8 m, 0.7 m, -1.5 m)，4个监测点坐标分别为:①(7.5 m, 1 m, 0)，②(11.25 m, 1 m, 0)，③(15 m, 1 m, 0)，④(18.75 m, 1 m, 0)。

图3 监测点布置示意

初始条件：甲醇泄漏10 s后放置水马开启水幕，风速2 m/s，环境压力为常压，气温298K。

基本假设：①液滴之间不存在相互碰撞；②液滴与气体之间不存在物理、化学吸收；③水幕液滴的大小和密度都相同；④液体蒸发速率恒定。

图4 物理模型

3 参数研究

3.1 扇形水幕和锥形水幕对稀释效率的影响

水幕的性能依赖于水幕自身的特性及外界因素，不同类型的喷头喷射出来的水幕形状各不一样，稀释机理也不相同[8-9]。扇形水幕和锥形水幕是目前经常使用的两种喷射水幕。为了将两种水幕对气云扩散的阻挡稀释效果进行对比，对水幕稀释阻挡泄漏扩散进行数值模拟研究，在相同供水压力下，考察扇形水幕和锥形水幕对稀释效率的影响。水幕的稀释阻挡效率

式中，φ1为开启水幕后气体的体积分数，φ0为未开启水幕时气体的体积分数。

表1为扇形水幕和锥形水幕喷头在相同供水压力下的参数及稀释效率对比，可以看出在相同供水压力下，锥形水幕较扇形水幕流量小、液滴直径小，扇形水幕流量约是锥形水幕流量的两倍；4个监测点处扇形水幕稀释效率高于锥形水幕，扇形水幕的阻隔稀释效果优于锥形水幕。

表1 扇形水幕与锥形水幕参数及稀释效率对比

分析认为两种类型水幕阻隔稀释原理不同：扇形水幕主要起阻隔作用，扇形水幕液滴直径较大且连续性强，水幕扩展角较大，可以形成一道屏障有效地阻挡甲醇气云向后扩散，同时液滴本身的机械作用会带动气体向上、向下或向侧方扩散，从而达到抑制气体扩散的作用。锥形水幕主要起空气卷吸作用，锥形水幕液滴直径较小空气卷吸量大，液滴所具有的动量会传递给与水幕相连的环境空气，当泄漏气体靠近水幕时，水幕形成的卷吸空气对泄漏气体进行混合和稀释，从而降低甲醇气体的浓度。

通过以上的分析表明，锥形水幕和扇形水幕都有效阻挡了气云扩散，扇形水幕在气云的阻隔稀释效果上优于锥形水幕，但两者的稀释效率差别仅约3%，而锥形水幕喷头具有耗水量小、液滴直径小等优点，综合考虑选用锥形水幕喷头。

3.2 供水压力对稀释效率的影响研究

供水压力是影响水幕稀释阻挡效率的重要因素[10]，为了分析喷嘴供水压力对稀释效率的影响，测试了在不同供水压力下水幕的稀释效率。图5所示为无水幕以及水幕供水压力分别为0.1，0.2，0.3 MPa时各监测点甲醇体积分数随时间的变化图。

(a)监测点1

(b)监测点2

(c)监测点3

(d)监测点4

由图5可知：开启水幕后，下风向气云浓度明显下降，这也证明了水幕可以有效阻隔气云扩散，水幕作为障碍物，当气云穿过水幕时会受到两种阻力，即黏性阻力和惯性阻力[11]，可以阻碍气体泄漏后重气的扩散，从而降低水幕下风向气云浓度。

比较可知同一监测点供水压力越大，下风向气云浓度越低，这是因为供水压力越大，液滴动量就越大，液滴向上喷射引起水幕周围空气湍流，卷吸的空气量越多，液滴对气体的驱散作用就越强。

进一步研究供水压力分别为0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35 MPa条件下，4个监测点稀释效率的变化如图6所示。稀释效率随供水压力的增大而增大，呈现非线性变化的关系。在压力从0.1 MPa增加至0.3 MPa过程中，稀释效率快速增加；但在0.3MPa以后，效率增加趋缓。这是因为当供水压力增加到一定程度时，液滴对气体的稀释程度达到了饱和。

图6 不同监测点稀释效率随供水压力的变化

综合考虑喷嘴、功耗的限制及效率等各项因素，选定供水压力为0.3 MPa。由图5可知，当供水压力为0.3MPa时，水幕有效阻挡了下风向气云扩散，开启水幕后各监测点的甲醇体积分数均远低于甲醇爆炸浓度下限5.5%，本事故案例中的高速公路超车道及对向车道可以考虑无需采取封道措施。

3.3 喷嘴安装角度对稀释效率的影响研究

喷嘴安装角度决定了雾滴喷出后的运动方向，进而影响到气液相对速度，液滴与气流相互作用过程中，在卷吸和气液两相剪切作用下二者充分混合，达到降低气体浓度的效果。喷嘴倾斜安装能够很大程度上缩减水幕与扩散源的距离，但是同时改变了水幕的形态，可能导致其稀释效果下降。

在喷嘴规格和安装位置确定情况下，分别对0°，15°，30°，45°，60° 5种喷嘴安装角度下的稀释效果进行数值模拟分析，结果如图7所示。

图7 稀释效率随喷嘴安装角度的变化

结果表明：稀释效率随着喷嘴安装角度的增加而降低，当喷嘴安装角度小于30°时，稀释效率缓慢降低，当喷嘴安装角度大于30°时，稀释效率下降明显。因此喷嘴宜0°安装，在有角度安装时不应超过30°。

4 结论

(1)针对危化品道路运输泄漏事故具有不确定性，突发性强，现场难以快速采取有效控制措施等问题，设计了一种可以恒压喷射水幕的应急处置用水马，可有效分道隔离，阻隔稀释可燃气体。

(2)在相同供水压力下，扇形水幕对气云扩散的阻挡效果略比锥形水幕好，而锥形水幕的液滴粒径及耗水量要小的多。综合考虑水马喷头类型选择锥形水幕喷头。

(3)当供水压力增加到0.3 MPa时，液滴对气体的稀释程度达到了饱和，继续增加供水压力，稀释效率增加趋缓，因此供水压力设定在0.3 MPa时较合理；稀释效率随着喷嘴安装角度的增加而降低，因此喷嘴宜0°安装，在有角度安装时不应超过30°。

(4)在实际应急处置中还需要考虑水马数量、水马与泄漏源距离、废液收集等因素。