内河非溶解性危险化学品泄漏扩散过程影响因素

詹水芬，王明超，陈学民，蒋文新

（1. 兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 交通运输部 天津水运工程科学研究院，天津 300456；3. 天津东方泰瑞科技有限公司，天津 300192）

近年来，我国水运危险化学品（危化品）运输量不断增大。内河非溶解性危化品一旦泄漏，将漂浮在水面上，形成危化品微团，造成水体以及沿岸环境污染。其中，易燃易爆类危化品微团可能导致火灾和爆炸事故的发生。危化品泄漏事故造成的环境和安全问题已成为一个亟待解决的世界性难题［1］。开展内河船运危化品泄漏扩散过程影响因子研究，对于准确把控泄漏过程、选取应急措施、进行事故处置、降低事故影响，具有重要意义。

危化品在水体中泄漏过程的影响因素较多，国内外学者采用了多种方法进行研究，包括：水平对流扩散模型，三维瞬态流体体积（VOF）动力学模型，二维数值模型，IWIND-LR模型，基于N-S方程的计算流体动力学（CFD）法，Fluent软件，ALOHA软件等［2-13］。尽管有关水体中危化品泄漏扩散的研究取得了一定成果，但仍存在以下不足：1）当前的研究针对海上和水下管道泄漏较多，而针对内河水面危化品泄漏扩散的研究较少；2）对泄漏的危化品微团的尺寸、个数以及影响范围等具体问题的研究仍需进一步深入。

本工作针对内河中非挥发性危化品运输船舶的泄漏扩散问题，提出了一种内河非溶解性危化品泄漏扩散的通用数值模拟方法，对危化品微团泄漏、漂移和扩散过程进行分析，研究了危化品密度、危化品黏度、水流速率以及泄漏速率对泄漏扩散过程的影响，以期为危化品的防控、治理以及管理决策提供技术支持。

1 模型的建立

1.1 物理模型

内河中危化品运输船舶与其他物体（船舶、桥墩等）发生剐蹭、撞击后，可能会将船舶撕开一个泄漏口。此时，船舶内储存的危化品将从泄漏口流出，进入内河水体。当难溶于水的泄漏危化品的密度小于水时，泄漏的危化品将漂浮在内河水面，形成危化品微团，并随河水向下游流动。

针对内河船舶危化品泄漏扩散问题，建立适用于任意航道的危化品泄漏扩散物理模型。考虑到河道边界的不规则性，利用地图软件（Google Earth）获取河道区域的卫星地图（118°78′E，32°21′N — 118°85′E，32°23′N）。利用绘图软件（Fluent）对河道、船舶以及建构筑物等进行准确刻画，如图1所示，黄色线以内为研究范围。

图1 内河危险化学品泄漏扩散研究范围

1.2 数学模型

内河非溶解性危化品泄漏后将漂浮在河面上，形成危化品微团泄漏带。采用VOF方法捕捉危化品微团的泄漏、漂移和扩散过程。内河危化品运输船舶尺寸较大，危化品泄漏过程的雷诺数较高，流动过程属于湍流。采用标准k-ε模型分析其湍流过程。综上，内河危化品泄漏扩散的控制方程如下［14］：

式中：Q为泄漏流量，kg/s；u为泄漏速度，m/s；ρ、ρw和ρhc分别为流体、水和危化品的密度，kg/m3；t为泄漏时间，s；μeff为流体有效黏度，Pa·s，为流体黏度（μ）和湍流黏度（μt）之和；p为流体压力，Pa；σ为表面张力，N/m；α为控制容积中水相的体积分数；κ为界面曲率，m-1，按式（4）计算。

式中，n为界面法向量。

内河危化品泄漏时，计算区域的危化品体积分数将发生变化，从而导致区域流体物性参数（密度、黏度等）发生变化。本研究采用式（6）进行计算。

式中，μw和μhc分别为水和危化品的黏度，Pa·s。

如前文所述，计算区域内流动过程属于湍流，本研究采用标准k-ε方程进行计算。湍动能（k，J）、湍动能耗散率（ε）和μt分别按式（8）、（9）和（10）计算。

式中：参数c1、c2、cμ、σk和σε均为常数，其取值分别为1.44、1.92、0.09、1.0和1.3；Gk为湍动能生成项，按式（11）计算。

式中：S为平均形变速率张量的模，s-1；Sij为形变速率张量，s-1。

2 计算方法和算例设置

2.1 计算方法

计算中压力和速度采用SIMPLE算法耦合，对流项和扩散项分别采用二阶迎风格式和中心差分格式离散。非稳态项采用全隐格式离散。收敛标准为连续性方程余量和动量方程余量同时小于

1.0×10-5。

2.2 算例设置

采用三角形网格离散整个计算区域，如图2所示。在船舶附近尤其是船尾泄漏口处进行网格加密，泄漏口处网格尺寸取0.05 m。通过对多套网格和多组时间步长试算结果的比较，选取总网格数为199 615，时间步长为0.1 s。

图2 网格分布

对危化品船舶泄漏后危化品泄漏扩散过程中的危化品密度（ρhc）、危化品黏度（μhc）、水流速率（uw）和危化品泄漏速率（uhc）的变化进行分析，设置算例如表1所示，其中算例2为对照算例。

表1 不同算例的危化品密度、危化品黏度、水流速率和危化品泄漏速率

3 结果与讨论

3.1 模型验证

采用经典的液柱倒塌过程，作为模型的验证算例。假设存在一个边长4 m的正方形容器（方腔），其中有一个高度2 m、底部宽度1 m、长度1 m的液柱，在初始时刻静止在容器的左端，由于重力作用液柱开始倒塌，然后与容器壁面碰撞。液柱在倒塌过程中，在与右壁面碰撞前，其前沿至左端固体壁面的距离（z，m）以及方腔内液相形态随时间（t，s）的变化情况可通过实验得到［14］，亦可通过本研究的模型计算得到，其结果分别见图3和图4。可以看出，计算结果与文献结果吻合良好。

图3 z～t关系曲线

图4 方腔内液相形态随时间的变化示意

3.2 影响因素分析

3.2.1 危化品密度的影响

图5为危化品密度对危化品泄漏区域长度和宽度的影响。由图5可以看出，密度变化对危化品泄漏区域长度和宽度的影响均较小。这是因为危化品微团在河道中发生漂移，由于河水流速对泄漏区域的影响较大，而使得密度对泄漏区域的影响未表现出来。

图6为危化品密度对危化品微团数量和最大微团面积的影响。由图6a可知，危化品密度的增加导致相同泄漏时间下微团数量增多。这是因为，当河水流速和危化品黏度固定时，密度增大将导致微团惯性增大，使得被甩出的液滴数量增大，因而微团数量增多。另一方面，密度对微团漂移和旋转速率的影响不大，使得泄漏初期密度对最大微团面积的影响较小；当泄漏区域长度超过900 m时，危化品微团到达河道转弯处，此时微团漂移速率有所减小，微团融合加快，最大微团面积出现波动，密度的影响逐渐显现，如图6b所示。

图5 危化品密度对危化品泄漏区域长度（a）和宽度（b）的影响

图6 危化品密度对危化品微团数量（a）和最大面积（b）的影响

总体而言，密度增大对泄漏区域和最大微团 面积的影响较小，而对微团数量有一定影响，泄漏危化品密度的增加将增大事故风险。

3.2.2 水流速率的影响

在枯水期和丰水期，内河水流速率差异较大。图7为水流速率对危化品泄漏扩散范围的影响。总体而言，随水流速率的加快，泄漏区域长度和宽度均逐渐增大。危化品微团释放后向下游漂移，水流速率对危化品泄漏区域长度具有决定性的影响。当河道水平时，水流速率对泄漏区域长度的影响近似为线性。在河道转弯处，水流速率加快导致离心力增大，水流速率对泄漏区域长度的影响逐渐增强。对于危化品泄漏区域宽度：泄漏初期（泄漏时间小于15 min时），危化品微团自旋速率较大，此时水流速率的影响尚未表现出来；泄漏时间超过15 min后，微团自旋速率减小，此时在水流的冲击下，被甩出的危化品液滴扩散速率加快，泄漏区域宽度逐渐扩大。

图7 水流速率对危化品泄漏区域长度（a）和宽度（b）的影响

图8为不同水流速率下内河泄漏的危化品微团数量和最大微团面积的演化过程。

由图8可见，在泄漏初期（泄漏时间小于15 min），主微团（危化品泄漏后漂浮在水面的主体部分）融合较少，微团数量和最大微团面积均保持稳定增长；当泄漏时间超过15 min后，泄漏微团到达河道转弯处，此时，微团融合速率加快，微团数量增长变慢，最大微团面积快速增大；当泄漏时间为30 min时，微团数量约为45，最大微团面积已超过1 500 m2。

图8 水流速率对危化品微团总数量（a）和最大微团面积（b）的影响

综上，当水流速率加快时，危化品泄漏扩散范围（尤其是泄漏区域长度）显著增大，而微团数量和最大微团面积却变化不大。因此，水流速率加快将导致事故次生灾害风险增大。

3.2.3 危化品黏度的影响

图9为危化品黏度对危化品泄漏扩散范围的影响。与密度的影响类似，黏度变化对危化品泄漏区域的影响较小。危化品泄漏区域长度主要受水流速率的影响，黏度的影响较小。当黏度增加时，微团内聚力将增强，在离心力和内聚力的共同作用下，危化品液滴数量出现波动，造成泄漏区域宽度有一定变化。

图9 危化品黏度对危化品泄漏区域长度（a）和宽度（b）的影响

图10为不同危化品黏度下内河泄漏的危化品微团数量和最大微团面积随时间的演化过程。与图9相似，黏度增大将导致微团内聚力的增加，在离心力和内聚力共同作用下，微团中甩出的液滴数减少，微团数量减少，最大微团面积有所减小。当微团靠近河道转弯处时，出现了融合，最大微团面积快速增大。

综上，黏度增大对危化品泄漏区域范围、危化品微团数量和最大微团面积的影响较小。

3.2.4 危化品泄漏速率的影响

泄漏口危化品的流速直接决定了危化品泄漏量，从而直接影响内河危化品的泄漏、飘移和扩散过程。本节对不同危化品泄漏速率下的危化品泄漏过程进行计算，结果如图11和12所示。

图10 危化品黏度对危化品微团总数量（a）和最大微团面积（b）的影响

图11 危化品泄漏速率对危化品泄漏区域长度（a）和宽度（b）的影响

由图11和图12可以看出，当危化品泄漏速率加快时：危化品泄漏区域的长度有所减小，而宽度则逐渐增大；同时，微团数量增多，且最大微团面积增大。究其原因，当泄漏速率加快时，相同时间下危化品泄漏量将增大，造成泄漏微团体积增大。对于设置算例，当危化品泄漏速率加快0.5 m/s时，最大微团面积约增加150 m2。同时，在微团黏性力作用下，微团间相互作用力增强，使得泄漏区域长度有所减小。另一方面，在微团泄漏时，伴随顺时针的旋转，较大体积微团的转动惯量较大，因而被甩出的微团数量较多，体积较大，表现为泄漏区域宽度较大，平均增长率约为7 m/min（见图11b）。

图12 危化品泄漏速率对危化品微团数量（a）和最大微团面积（b）的影响

总体而言，泄漏速率对内河危化品泄漏扩散过程影响较大，主要影响泄漏区域宽度、微团数量和最大微团面积。

4 结论

a）针对内河中非挥发性危化品运输船舶的泄漏扩散问题，建立了一种通用数值模拟方法。

b）危化品的密度和黏度对内河危化品泄漏扩散过程的影响相对较小，而水流速率和危化品泄漏速率对危化品泄漏扩散过程的影响较大，且二者的影响存在明显区别。水流速率对危化品泄漏扩散过程的影响主要表现在泄漏扩散范围（尤其是泄漏区域长度）方面，而危化品泄漏速率的影响主要表现在泄漏区域宽度、微团数量以及最大微团面积方面。

c）研究结果表明，应针对丰水期危化品大泄漏量的情况展开监管，并将其作为内河危化品泄漏应急工作的重点。