上海市街道峡谷条件下液氨泄漏扩散的CFD 研究

刘猛 许科 冯毅

（1 上海城建职业学院 上海 201415 2 上海大学 上海 200444 3 上海航天工业（集团）有限公司 上海 201112）

0 引言

随着城市建设的飞速发展，街道峡谷（即两侧都有高大建筑物的狭长街道）已经越来越多地出现在城市，尤其是大型城市中。相对于开阔型建筑，街道峡谷内的气体扩散受峡谷内的气体流动制约，一旦堆积了较多的气体污染物，如有毒气体、机车废气等，很难迅速疏散，对街道中行人以及街道两旁建筑当中的居民健康带来威胁［1］。

在这些气体污染物当中，液氨是危险性较大的危险化学品之一。从物理化学性质上看，氨的挥发性强，扩散速度快。常温下加压为液氨，而一旦压力降低或者温度过高，会迅速变成氨气挥发出来。加上其密度小于空气，发生泄漏时会在横向、纵向的很大范围内造成影响［2］。人体吸入氨气会出现头晕头疼、恶心呕吐、胸闷呼吸困难，严重者会痉挛、昏迷，甚至死亡。进入眼内，可使眼结膜水肿，角膜溃疡，人眼出现羞光、流泪、眼痛及视力障碍，严重者可能会失明。成人在氨气浓度为553 mg/m3的环境中吸入30 min，即会有剧烈的刺激症状；若增为700 mg/m3，会立即剧咳，仅可耐受1.25 min；浓度升至1 750 mg/m3～4 500 mg/m3可危及生命；如再进一步升高达4 500 mg/m3以上，可立即死亡。所以，一旦在街道峡谷条件下出现液氨泄漏事故，有毒气体长时间不能疏散，后果将不堪设想。这一点在人口众多、街道峡谷密集的上海市尤为明显。截至2020 年末，上海拥有2 250 万常住人口，平均人口密度达到2 638 人/km2。城区内30层以上高层建筑超过2 000 幢，其中100 m 以上的超高层建筑有近1 000 幢。城区内需要使用液氨的企业，包括化工厂、钢厂、药厂、冷饮厂、纺织厂等超过百家，其中部分位于中心城区或外环线以内，因此，每天都有液氨运输车辆不得不穿越人口稠密的市区。一旦这些车辆在街道峡谷地区发生泄漏事故，可能造成的伤亡将数以万计［3］。因此，非常有必要对街道峡谷条件下的液氨泄漏扩散进行研究。

以往有关有毒气体泄漏的研究多以氯气、天然气等重气为研究对象［4］，以轻气体为研究对象的较少；探讨点源大范围瞬时泄漏情况较多［5］，连续性泄漏探讨较少；对毒气扩散的趋势平面研究比较多，兼顾横向和纵向的立体研究比较少。鉴于此，以上海市为例，对街道峡谷条件下的液氨泄漏扩散情况进行模拟研究。

1 物理模型

1.1 街道峡谷的定义

街道峡谷的概念最早由Nicholson 提出［6］，最初是指街道两侧都有连续的高大建筑物的相对狭长的街道。但这一概念目前已经得到扩展，即相对狭长的街道两侧的高大建筑物在不连续、存在一部分空白和缺口时，也可称为街道峡谷［7］。典型的街道峡谷剖面图如图1 所示。

图1 街道峡谷示意图

根据建筑物高度H 和街道宽度W 的比值H/W（高宽比），可将街道峡谷分为理想街谷（H/ W≈1），深街谷（H/W≈2）和浅街谷（H/W＜0.5）。如果街谷两侧建筑物高度大致相等则称为对称街谷，否则称为非对称街谷［7］。

1.2 CFD 简介及控制方程

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是用数学方法，通过求解代表物理定律的数学方程，来预测流体流动、热传输、质量传输、化学反应和相关现象［8］。现阶段进行CFD 计算功能的软件很多，FLUENT 是较为常用的一种。

描述流体运动的CFD 模型由以下5 个基本的守恒方程构成。

连续性方程：

动量守恒方程：

湍流模型采用标准κ-ε 方程模型，湍流粘性系数μt=cμρκ2/ε。

雷诺应力式中引入新变量κ（湍流脉动动能）和ε（耗散率），简化N-S 方程后得到下面的形式。

κ 方程：

方程：

组分方程：

根据传递相似率，湍流扩散系数Dt可以通过流体的湍流施密特（Schmidtl）数σt与μt联系起来，即

1.3 上海地区气候特征

上海地处中纬，滨江临海，根据EnergyPlus 提供的上海“典型气象年”数据，提取并整理得出了上海全年风速频率分布（见表1）。

表1 上海典型气象年年风速频率分布

根据典型气象年风玫瑰图显示，上海市春季主导风向为东风和南风，夏季主导风向为东南风，秋季主导风向为西风和北风，冬季主导风向为西北风，全年范围内上海市主导风向变化较大（见图2）。在街道峡谷朝向、布局固定的情况下，主导风向与街道峡谷形成不同的夹角。为简化分析，将主要探讨主导风向顺吹街道峡谷和横掠街道峡谷2 种工况时，街道峡谷内氨气泄漏后浓度场的分布情况。

图2 上海典型气象年过渡月份风玫瑰图

2 主导风向顺吹街道峡谷

2.1 计算模型

如图3 所示建立求解区域，其尺寸长（L）×宽（W）×高（H）=700 m×100 m×100 m，求解区域内分布两排建筑物，其尺寸同为长（l）×宽（w）×高（h）=600 m×30 m×40 m，两建筑物之间形成街道峡谷，建筑物高度H 和街道宽度W 的比值H/W=40/60≈0.667，为理想峡谷。泄漏源位于风向上游街道峡谷正中间，其尺寸为长（l′）×宽（w′）×高（h′）=4 m×4 m×4 m，来流风向与街道峡谷长轴L 方向一致。

图3 主导风向顺吹街道峡谷示意图

2.2 网格划分与边界条件

为得到较为精确的求解结果，划分网格时整体上采用了结构化六面体网格，取大气流动方向为X 轴正方向，竖直向上方向为Y 向。将前述求解区域划分为157 800 个非均匀的结构化网格，控制网格的尺寸不大于4 m，泄漏源处的网格进行加密处理，设定其每条边的上网格数均为12 个。Z=50 m 和X=100 m 截面的网格如图4 所示。

图4 Z=50 m 截面的网格

选取标准κ-ε 紊流模型方程，对于控制方程离散用有限体积法（FVM），对流项采用二阶迎风格式，时间为一阶隐式，速度压力耦合采用SIMPLE 算法，近壁面采用标准壁面函数处理，控制流场的速度残差绝对值小于10-6时停止迭代计算。

上海地区风速分布为3 m/s～5 m/s 的频率最高，为35.84%，故设定模型中风速的边界条件为4.2 m/s，温度为20 ℃。

液氨泄漏为气液两相过程［9］，假定液相和气相是均匀的，且互相平衡，两相流泄漏按式（6）计算。

式中：QNH3为两相流泄漏速度，kg/s；Cd为两相流泄漏系数，取0.8；A为裂口面积，m2；P为操作压力，Pa；Pc为临界压力，取Pc=0.55 Pa；ρm为两相混合物的平均密度，kg/m3。

假定一运输车液氨罐体积为100 m3，表压为9.1×105Pa，出现一个60 mm×4 mm 的裂缝，这时泄漏口视为一个连续泄漏的点源［8］。取液氨温度为25 ℃，液氨密度=608 kg/m3，此时液氨的泄漏强度QNH3=4.2 kg/s。

2.3 模拟结果

氨气在运输车内以低温高压的液态形式存在，因此在泄漏开始的短时间内，喷射出来的液氨迅速吸收环境的热量而闪蒸为氨气，在外界环境风向作用下，沿着街道峡谷迅速向下游扩散。由于外界风速较大，在泄漏开始3 min 之内，氨气气云即可覆盖600 m 的街道峡谷范围，从而形成稳定的浓度场。由于氨气的密度小于环境空气密度，氨气污染物向下游扩散过程中同时向上漂移，形成的稳定浓度场如图5 所示。

图5 Z=50 m 截面的浓度场分布

在泄漏源下游方向100 m 范围内，氨气浓度很大，浓度值超过4 500 mg/m3，毒性负荷最大，泄漏事故发生后此范围内的人员受毒害最大，但该区域范围有限。随着主导风向向下游推移，氨气气云在垂直方向的扩散加强，因此街道峡谷内靠近地面的浓度场有所下降。在泄漏源下游200 m 至400 m 区域内，氨气浓度分布在3 200 mg/m3～2 000 mg/m3范围，如果人员在此区域长时间停留，会有生命危险。随着主导风向带动氨气继续向下游移动，靠近地面的浓度场进一步下降，在泄漏源下游400 m 至600 m 区域内，氨气浓度分布在1 800 mg/m3～800 mg/m3范围内，氨气沿着街道峡谷继续漂移，其浓度分布会继续下降。

沿中心街道不同高度处的浓度分布如图6 所示。距泄漏源100 m 的区域内，不同高度处氨气浓度差别很大，距地面5 m高度处氨气浓度高达6 000 mg/m3以上，这是闪蒸氨气与液滴氨气同时汇聚的结果；而在距地面15 m 高度处，氨气浓度只有2 100 mg/m3；距地面35 m 高度处，氨气浓度不足300 mg/m3。随着主导风向的作用以及氨气向上漂移，距泄漏源下游约200 m处，5 m 高度处的氨气浓度迅速下降，至泄漏源下游600 m处氨气浓度已降至1 800 mg/m3；而15 m 高度处的氨气浓度沿主导风向先逐渐上升后缓慢下降，600 m 处氨气浓度降至1 600 mg/m3。

图6 中心街道不同高度处的浓度分布

3 主导风向横掠街道峡谷

街道两侧的建筑高度大多情况下是不相同的，主要研究了2 种工况下的街道峡谷内污染物浓度场的分布。

3.1 低矮建筑位于上风侧

3.1.1 计算模型

如图7 所示建立求解区域，其尺寸为长（L）×宽（W）×高（H）=160 m×300 m×100 m，求解区域内分布两排建筑物，上风侧建筑物1 尺寸长（l1）×宽（w1）×高（h1）=100 m×30 m×20 m，下风侧建筑物2 尺寸为长（l2）×宽（w2）×高（h2）=100 m×30 m×40 m，两建筑物之间的距离D=40m。两建筑物之间形成街道峡谷，泄漏源位于街道峡谷正中间，其尺寸为长（l′）×宽（w′）×高（h′）=4 m×4 m×4 m，来流风向与与街道峡谷长轴L 呈垂直方向。

图7 主导风向横掠街道峡谷（低矮建筑在上风侧）

3.1.2 网格划分与边界条件

对于求解区域，划分网格时整体上采用了结构化六面体网格，将求解区域划分为236 810 个非均匀的结构化网格，控制网格的尺寸不大于3 m，泄漏源处的网格进行加密处理，设定其每条边的上网格数均为12 个。X=50 m 截面的网格如图8 所示。

图8 X=50 m 截面的网格

设定模型中风速的边界条件为4.2 m/s，温度为20 ℃，污染源的泄漏强度为4.2 kg/s。选取标准κ-ε 紊流模型方程，方程的离散以及求解方式与对于控制方程离散采用有限体积法（FVM），对流项采用二阶迎风格式，时间为一阶隐式，速度压力耦合采用SIMPLE 算法，近壁面采用标准壁面函数处理，流场的速度残差绝对值小于10-6时停止迭代计算。

3.1.3 模拟结果

图9 为街道峡谷侧剖面等势面分布图，4 种颜色分别代表4 500 mg/m3、1 750 mg/m3、700 mg/m3和530 mg/m34个等势面。从总体趋势上看，氨气在扩散过程中顺主导风向向上方漂移，街道峡谷内低矮建筑背风立面上浓度分布明显大于高大建筑临街立面的浓度分布。这是因为处于风向上游建筑的背风面的压力更低，氨气在街道峡谷内形成漩涡，导致氨气朝该方向扩散。

图9 计算区域中的等势面分布

图10 为街道峡谷内位于上风侧的低矮建筑背风立面浓度分布图。该立面浓度较高，最大值可达9 400 mg/m3，出现在建筑立面上半部，这是由于主风向带来的氨气与峡谷内回旋的氨气汇合于此造成的。中心区域两侧的氨气浓度迅速递减，20 m 以外的区域浓度值已降至800 mg/m3以下。泄漏事故发生后，街道峡谷内临街的高区住户受到的影响大于低区住户，高区住户应立即关窗并向污染物浓度较低的楼下疏散。

图10 Z=30 m 截面的浓度场分布

图11 为街道峡谷内位于下风侧的高大建筑临街立面浓度分布图。相比上风侧低矮建筑背风立面，下风侧高大建筑临街立面上的氨气浓度值较低，最大值约为3 200 mg/m3。氨气向上漂移的趋势更为明显，最大浓度出现在建筑立面上半部，距地面约35 m 处。氨气浓度由中间向两端逐渐降低。

图11 Z=70 m 截面的浓度场分布

3.2 低矮建筑位于下风侧

3.2.1 计算模型

求解区域尺寸（图12）为长（L）×宽（W）×高（H）=160 m×300 m×100 m，求解区域内分布两排建筑物，上风侧建筑物1尺寸为长（l1）×宽（w1）×高（h1）=100 m×30 m×40 m，下风侧建筑物2 尺寸为长（l2）×宽（w2）×高（h2）=100 m×30 m×20 m，两建筑物之间的距离为D=40 m。两建筑物之间形成街道峡谷，泄漏源位于街道峡谷正中间，其尺寸为长（l′）×宽（w′）×高（h′）=4 m×4 m×4 m，来流风向与街道峡谷长轴L 方向垂直。

图12 主导风向横掠街道峡谷（低矮建筑在下风侧）

3.2.2 网格划分与边界条件

对于求解区域，划分网格如图13 所示，边界条件的设定与3.1.2 完全相同。

图13 X=50 m 截面的网格

3.2.3 模拟结果

从模拟结果来看，街道峡谷内位于上风侧的高大建筑背风立面，氨气浓度较高，其最大值约为8 900 mg/m3，出现在建筑立面距地面20 m 以上的位置（见图14）。这是由于在外界风场作用下建筑周围形成绕流，街道峡谷内形成漩涡，处于上风侧的高大建筑的背风面的压力更低，于是氨气朝该方向扩散。又由于氨气的密度值小于空气，扩散过程中同时向上漂移，因此浓度最大值出现在高大建筑背风立面的上半部。

图14 X=15 m 截面的浓度场分布

相对而言，下风侧低矮建筑临街立面上的氨气浓度值较低，约为1 800 mg/m3。氨气在临街立面上的分布较为均匀。低矮建筑的下风侧区域，污染物开始大范围扩散，浓度值较低，小于530 mg/m3，对人员有一定的刺激性但不会有致命危险。泄漏事故发生后，街道峡谷内临街的住户应立即关窗，朝氨气浓度较低的下风向疏散。

4 结论及展望

模拟分析了街道峡谷环境下氨气泄漏时的浓度场分布，主要结论如下：

（1）主导风向顺吹街道峡谷时，泄漏源下游方向100 m 范围内，浓度值超过4 500 mg/m3；泄漏源下游200 m 至400 m 范围内，氨气浓度分布在2 000 mg/m3～3 200 mg/m3；泄漏源下游400 m 至600 m 范围内，氨气浓度分布在800 mg/m3～1 800 mg/m3。

（2）主导风向横掠街道峡谷且低矮建筑位于上风侧时，街道峡谷内位于上风侧的低矮建筑背风立面氨气浓度最大，约为9 400 mg/m3；下风侧高大建筑临街立面上的氨气浓度最大值约为3 200 mg/m3；中间区域的浓度值较大，向两端则迅速递减。

（3）主导风向横掠街道峡谷且低矮建筑位于下风侧时，街道峡谷内位于上风侧的高大建筑背风立面氨气浓度最大值约为8 900 mg/m3，下风侧高大建筑临街立面上的污染物浓度最大值约为1 800 mg/m3，低矮建筑下风侧区域污染物的浓度值小于530 mg/m3。

主要工作分析了街道峡谷环境下氨气作为污染源的浓度场分布，按现有分析方法，下一步研究可以液化天然气（LNG）等气体为污染源，分析其在街道峡谷内的扩散状况，为LNG 应急能源车在市区使用提供相关依据。只有深入了解污染源气体扩散规律之后，对相应的逃生策略、救援方法做进一步地深入探讨才会有更多的现实意义。