油气化工码头道路上LPG 罐车泄漏扩撒数值模拟分析

2023-02-11张志斌叶继红

中国水运 2023年1期

张志斌，叶继红

（浙江海洋大学，浙江舟山 316000）

LPG 作为清洁能源，热值高，且不产生污染物和烟尘，被广泛应用。LPG 通过油轮运至油气化工码头，由LPG 罐车进行转运。LPG 罐车罐体内压较大，泄漏时LPG 立即气化并快速扩散。由于LPG 本身具有易燃、易爆以及有毒等特性，在运输过程中不慎泄漏，极易发生火灾爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失。如2020年6·13 温岭LPG 罐车爆炸事故，致使20 人死亡，175 人送医，损失高达9500 万元。

针对LPG 罐车发生泄漏导致事故的机理、类型、严重程度等方面已有学者进行研究。缪灿亮等[1]利用PHAST 软件来模拟LPG 储罐泄漏后的事故后果。根据事故后果划分人员死亡、重伤、轻伤半径。俞志东[2]运用PHAST 软件对LPG 储罐泄漏进行模拟研究，探讨不同泄漏孔径、季节等对泄漏范围的影响，并对事故可能造成的后果进行分析。

综上所述，以油气化工码头内道路为背景，利用FLUENT 软件研究LPG 罐车在公路运输过程中发生泄漏事故及可能导致的后果，对后期预防和控制LPG 罐车泄漏扩撒及火灾爆炸事故的发生具有重要的理论价值和现实意义。

1 LPG 罐车泄漏模拟

1.1 模拟软件介绍

20 世纪80 年代美国FLUENT 公司开发出商用CFD分析软件FLUENT，时至今日FLUENT 是普及最广的CFD 软件[3]。FLUENT 可以模拟二维、二维轴向和三维流动，计算和分析不同特性的流体流动，如层流和湍流、可压缩和不可压缩流[4]。

1.2 LPG 罐车泄漏扩撒计算模型

以浙江某油气化工码头道路为例，根据现场调研，对所需条件进行简化，选取区域为长200m 宽135m 高50m 的三维空间为计算域，其中高速路为双向六车道，中间由1.5m 的绿化带隔开，道路两旁有高宽0.8m×0.2m的护栏。路右侧50m 位置有长宽高为12m×8m×15m的集装箱堆，间隔7m。本文将LPG 罐车简化成距地面0.6m 的直径2.5m 长13m 的圆柱体储罐（泄漏口于罐尾距地面1.65m 直径为0.05m 的圆孔），将大货车、小轿车同理进行简化。

利用ICEM CFD 软件对模型进行非均匀（四面体）网格划分，对泄漏口位置进行网格加密。如图1 所示。

图1 模型网格划分

1.3 LPG 罐车泄漏控制方程

本文研究LPG 在给定的条件下的扩散过程。在整个泄漏扩散过程中遵从连续性、能量、动量三大守恒方程，基本控制方程可表示如下[5]：

1.4 初始条件设定

初始状态下，区域内无LPG。泄漏速度设定为20m/s、30m/s、50m/s；风沿下风向（-Z 方向），速度为0 m/s、3 m/s、5m/s、10 m/s；环境温度为10℃、20℃、30℃、40℃。LPG 泄漏时属于湍流状态，选用Realizable模型。采用SIMPLE 计算方法进行模拟计算，步长设为1s，每秒迭代20 次，计算10 分钟内LPG 罐车发生泄漏扩散的过程。

2 模拟结果分析

2.1 泄漏速度对LPG 罐车泄漏扩撒影响

图2 为不同泄漏速度（20m/s、30 m/s、50m/s）下ZX 平面（地面）LPG 浓度云图。通过图2 从图中看到，LPG 从罐车罐体泄漏，随着扩散时间的向前推进，LPG云团沿地面往下风向运动，云团影响的区域在増大，浓度降低。

图2 ZX 平面（地面）LPG 云团浓度分布图

图3 为不同泄漏速度条件下，地面沿Z 轴上LPG云图的浓度变化曲线。可以看出，泄漏速度为20m/s 时最大，约为4.6%，扩撒距离约为118m；泄漏速度为50 m/s 时最小，约为3.1%，扩撒距离大于130m。可见，在初始动能和重力作用下，泄漏速度越大，云团最大浓度越小，Z 轴方向上扩散的距离越大。

图3 不同泄漏速度下地面沿Z 轴上LPG 气云浓度变化曲线

2.2 风速对LPG 罐车泄漏扩撒影响

研究风速为0m/s、3 m/s、5 m/s、10 m/s 时，以泄漏速度为30m/s，温度为30℃，风向为下风向（-Z 方向）进行模拟仿真。图4 为无风和有风状态下ZX 平面（地面）LPG 云团的浓度分布图。

图4 ZX 平面（地面）LPG 云团浓度分布图

通过图4 可以看出，无风时，LPG 由泄漏口泄漏出来后，向四周进行扩散，距离越远，云团的浓度减小。有风时，泄漏的LPG 云团沿下风向扩撒。风速增大，LPG 扩散速度越快，云团扩散的距离随风速的增加而增大。当风速大于5m/s，云团的扩撒距离基本保持不变，这是由于在空气湍流作用下，LPG 云团逐渐被转化成非重气，因此扩撒范围与距离基本不会发生改变。

图5 为不同风速下，地面沿Z 轴方向上LPG 云团的浓度变化曲线图。由图5 可知，无风时，LPG 云团的最大浓度约为4.1%，扩撒最远距离约为126.3m；风速为3m/s 时最大，云团浓度约为0.9%，扩撒最远距离大于130m；风速为10 m/s 时最小，云团浓度约为0.2%，扩撒最远距离大于130m。