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重气泄漏扩散影响因素分析及模型研究-建筑论文 重气泄漏扩散影响因素分析及模型研究 孙宝江 (重庆科技学院安全工程学院，中国 重庆 401331) 【摘　要】重气扩散受多种因素影响过程复杂，是目前泄漏扩散研究的重点。分析了重气扩散机理和影响因素，对重气研究方法进行了介绍，对比分析了箱模型、CFD模型、浅层模型和经验模型的适用范围和各自的优缺点，得出CFD模型是研究重气扩散最准确分方法。 关键词 重气；扩散；泄漏；模型研究 基金项目：国家自然科学基金；重庆科技学院科技创新项目(YKJCX2013014)。 作者简介：孙宝江（1988—），男，山东莱州人，重庆科技学院硕士研究生，研究方向为化工安全。 0　引言 石油、化工行业在生产、存储和运输过程中存在多种有害的化学物质，一般为了便于使用，气态化工产品都需经过加压降温液化后再进行储存、运输，容器内物质温度很低，泄漏后如果直接接触人体，就会造成冻伤事故。易燃、易爆、有毒也是化学品常有的特性，一旦在一定气象条件下发生扩散后，也会对人员和环境造成严重的损害[1-3]。因此，深入研究重气扩散规律，分析危险物质泄漏可能造成的影响程度和范围，对突发性事故的应急预案编制和现场救护，以及科学预防事故性泄漏的发生具有重要意义[4-5]。 本文综述了多年来国内外学者对重气扩散各研究方法的进展情况，并在此基础上分析了现场试验研究、实验室研究和模拟研究各自的优势，提出了未来重气扩散研究的重点问题。 1　重气扩散机理及影响因素分析 重气是指泄漏后与空气混合以气态或者气溶胶形式存在并且比重空气重的气态物质， 如氯气、丙烷、H2S等。与非重气不同的是，重力对于重气云团的扩散过程起主导作用，会产生重气效应，沿地表聚集并扩散。重气云团常用Richardson数来判定。Ri准则认为，如果Ri小于或等于某个临界值(在1～10之间)，重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散，扩散云团为重气云团[6]。 重气云团在扩散过程中要经历重力沉降、空气卷吸、云团加热和向非重气扩散转化4个阶段的变化。重气扩散过程受到多种因素的影响，大致可以分为操作因素和气象因素两大类。操作因素包含容器内泄漏物质的状态、压力、温度和比重。多数物质处在低温加压的液化状态，容器上方有部分操作条件下的饱和蒸气。压力直接影响到物质的泄漏速度；温度影响到物质泄放后的闪蒸气化速率；比重表示重气与空气分子量的比值，重气云团的比重越大，扩散前期受重力作用的影响就越明显，重气云团转化为非重气云团的时间也就越长。气象因素有风速、风向、大气温度等。风速影响重气云团的扩散速度；风向决定扩散的主要方向；大气温度影响云团的温度和密度。除此之外，地表的坡度、粗糙度及障碍物的尺寸也是影响重气云团扩散的关键因素，会影响泄漏物质的浓度空间分布情况。有实验表明，当障碍物高度不太大时，重气云团会从顶部绕过，障碍物后方的一定区域浓度分布较低。 2　重气扩散模型研究 2.1　箱模型 箱模型用来描述瞬间泄漏形成的重气云团的运动，其核心是因空气进入而引起的气云质量增加速率方程。箱模型有三个假定条件： 1）重气云团为正立的坍塌圆柱体，圆柱体初始高度等于初始半径的一半。 2）在重气云团内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。 3）重气云团中心的移动速度等于风速。 重气扩散的箱模型示意图如图１所示。 依据假定条件、质量守恒定理和云团体积随时间的变化速率关系，采用量纲分析法推导出云团浓度计算公式为： 式中：C——重气云团内部危险物质浓度，kg/m3； CO——初始时刻重气云团内部危险物质浓度，kg/m3； x——沿下风向泄漏点到云团的距离，m。 随着空气的不断进入，重气云团的密度将不断减小，重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境湍流引起的扩散。 2.2　CFD模型 随着计算机科学的发展和研究者对于计算精度的高要求以及研究过程复杂性的增加，为了克服常规模型对重气扩散模拟的局限性，有学者开发出了CFD模型（计算流体力学模型），该模型以流体力学为理论基础，先用前处理器建模并划分网格，为了达到计算收敛需要结合一定边界条件和初始条件利用求解器进行求解。CFD模型的基本控制方程是质量守恒、动量守恒和能量守恒三个守恒方程，守恒方程可用以下通式表示。 最先使用CFD方法模拟重质气体三维空间内流动扩散规律的是England[7]，他采用CFD方法模拟了气体的非定常湍流过程。Steven R. Hanna[8]应用FLACS软件建立3D模型，模拟计算了芝加哥工业区和郊区列车储罐内氯气泄漏扩散的事故场景，得出氯气在平坦地形扩散速度较快，加重事故的严重程度。液氯泄漏后随着排水系