段安鵬

【摘 要】本文采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)燃油試驗(yàn)室廠房內(nèi)航空煤油蒸汽，在不同工況下，計(jì)算煤油蒸汽的濃度分布規(guī)律。結(jié)果表明：通風(fēng)裝置的空氣流速對(duì)煤油蒸汽濃度影響較大，當(dāng)空氣流速為2m/s時(shí)，空間內(nèi)濃度最低；空間內(nèi)環(huán)境溫度升高，煤油蒸汽濃度增大，當(dāng)溫度達(dá)閃點(diǎn)時(shí)，煤油蒸汽擴(kuò)散加?。粡S房空間內(nèi)采用底部送風(fēng)的方式，能明顯降低整個(gè)空間內(nèi)煤油蒸汽的濃度。

【關(guān)鍵詞】氣體擴(kuò)散；航空煤油；數(shù)值模擬

Numerical Simulation of Aviation Kerosene Steam Diffusion in Fuel Lab

DUAN An-peng

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In order to investigate the diffusion regularity of aviation kerosene steam in fuel lab，numerical simulation method was used to calculate the kerosene steam concentration rule in different conditions.The results show that ventilations air flow rate has a great influence on the kerosene steam concentration.When the air flow rate was 2m/s，the kerosene steam concentration was lowest.With the increase of space environment temperature，kerosene steam concentration increased gradually.By using the method of supply air in bottom，the kerosene steam concentration can be reduced effectively.

【Key words】Gas diffusion；Aviation kerosene；Numerical simulation

0 引言

航空煤油作為一種易揮發(fā)且易燃易爆的危險(xiǎn)化學(xué)品，一旦發(fā)生泄漏擴(kuò)散，極易破壞周圍環(huán)境和造成人員傷亡，因此，分析其在燃油試驗(yàn)室的擴(kuò)散分布規(guī)律尤為重要，同時(shí)，對(duì)于燃油試驗(yàn)室的安全設(shè)計(jì)及泄漏事故的應(yīng)急處理具有重要的意義。

目前，對(duì)于危險(xiǎn)化學(xué)品氣體泄漏擴(kuò)散過程的研究方法有三種：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬[1]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與真實(shí)環(huán)境更為接近，但試驗(yàn)成本高昂，周期長；風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)類似，同樣需要較高的試驗(yàn)成本；近些年，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬在計(jì)算氣體擴(kuò)散方面得到了大量應(yīng)用。國外學(xué)者已經(jīng)提出高斯模型[2]，唯象模型[3]，F(xiàn)EM3模型[4]等來計(jì)算氣體的泄漏擴(kuò)散過程。相比之下，國內(nèi)起步相對(duì)較晚，仍然處于初步階段。目前，文獻(xiàn)[5-8]通過數(shù)值模擬手段對(duì)開放空間中的可燃?xì)怏w的泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明數(shù)值模擬的方法可以用于室外環(huán)境中的氣體擴(kuò)散模擬過程。文獻(xiàn)[9-10]對(duì)受限空間內(nèi)的氣體泄漏過程進(jìn)行了計(jì)算，得到了氣體擴(kuò)散后的空間分布規(guī)律。

雖然上述學(xué)者已經(jīng)證明數(shù)值模擬手段可以用于各類空間中的氣體擴(kuò)散過程，但前人的研究對(duì)象大都為天然氣，而本文研究的是航空煤油蒸汽，由于各類氣體之間的物性差別較大，擴(kuò)散過程各有差別，上述研究成果并不完全適用于本文的研究對(duì)象。對(duì)此，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)航空煤油蒸汽的擴(kuò)散過程進(jìn)行初步計(jì)算，并在不同空氣流速、環(huán)境溫度及通風(fēng)方式下，分析航空煤油蒸汽在試驗(yàn)室空間內(nèi)的濃度分布規(guī)律，并提出相應(yīng)的燃油試驗(yàn)室安全措施建議。

1 計(jì)算方法

1.1 控制方程

本文采用非穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)航空煤油蒸汽的擴(kuò)散過程采用組分輸運(yùn)模型，忽略化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于不涉及化學(xué)反應(yīng)的單相多組分?jǐn)U散問題，需求解一個(gè)連續(xù)性方程、三個(gè)動(dòng)量方程、一個(gè)能量方程和一個(gè)組分輸運(yùn)方程，以及兩個(gè)湍流量的方程[11]。其中，湍流模型采用RNG k-？著模型，對(duì)壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理?？刂品匠滩捎靡浑A迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，壓力差值采用標(biāo)準(zhǔn)壓力差值，耦合算法采用SIMPLEC算法。時(shí)間步長控制為0.01s，模擬時(shí)間為600s。控制方程如式1所示。

式中：Ds為組分S在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，vs為該組分的體積濃度，Ss為該組分的生產(chǎn)率。

1.2 工況條件

本文設(shè)置了4種不同工況，為分析空氣流速的影響，保持煤油蒸汽入口速度不變，環(huán)境溫度均為25℃，只改變空氣流速；為分析環(huán)境溫度的影響，在Case2的基礎(chǔ)上，選取4種環(huán)境溫度值。工況參數(shù)如表1所示。煤油蒸汽和空氣入口采用速度入口，各出口采用壓力出口。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文針對(duì)燃油試驗(yàn)室廠房（x×y×z為35m×45m×25m），將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行簡化，計(jì)算區(qū)域共設(shè)置6個(gè)空氣入口（1m×1m），煤油蒸汽入口（12m×13m）及混合氣體出口（12m×13m）各1個(gè)，如圖1所示。

在保證計(jì)算精度的情況下，為減小計(jì)算量，對(duì)計(jì)算區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在空氣入口及煤油蒸汽入口處進(jìn)行局部加密處理，如圖2所示。為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，本文進(jìn)行了4種數(shù)量的網(wǎng)格劃分，如表2所示。選擇Case1的工況條件進(jìn)行計(jì)算，可以得出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增長到216萬時(shí)，BCD三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果相差較小，如圖3所示。綜合考慮，本文采用C數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣流速對(duì)煤油蒸汽濃度分布的影響

煤油蒸汽進(jìn)入廠房空間后不斷聚集，整個(gè)空間內(nèi)的蒸汽濃度上升，出于防爆考慮，必須通過通風(fēng)設(shè)施降低整個(gè)空間內(nèi)的煤油蒸汽濃度。本文采用輸入空氣的方式來降低整個(gè)空間的煤油蒸汽濃度。為研究空氣流速對(duì)煤油蒸汽濃度分布的影響，選取Z=1.8m的平面為研究對(duì)象，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

（a）Case1（b）Case2

（c）Case3（d）Case4

從圖4中可以看出，隨著空氣流速的增大，平面內(nèi)的煤油蒸汽濃度分布逐漸降低。當(dāng)工況為Case1時(shí)，空氣流速為0.5m/s，平面左側(cè)區(qū)域內(nèi)含有大量的煤油蒸汽，其中靠近中心位置的濃度最高，這是由于該位置處于煤油蒸汽入口的正上方。當(dāng)空氣流速增大到2m/s時(shí)，整個(gè)平面內(nèi)煤油蒸汽濃度處于最低水平?？梢缘贸?，向廠房內(nèi)輸送空氣可以有效降低空間內(nèi)部的煤油蒸汽濃度，使廠內(nèi)更加安全。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)煤油蒸汽濃度的影響

環(huán)境溫度會(huì)影響空間內(nèi)的煤油蒸汽的濃度分布，一方面，航空煤油極易揮發(fā)，溫度升高會(huì)加速航空煤油的揮發(fā)；另一方面，當(dāng)各位置間存在溫度差時(shí)，氣體運(yùn)動(dòng)會(huì)形成對(duì)流，進(jìn)而影響空間內(nèi)部的煤油蒸汽的濃度分布。同時(shí)，由于航空煤油閃點(diǎn)（38℃）較低，易燃易爆，因此廠房內(nèi)部必須防止溫度過高。為此，本文選取Case2工況，在4種溫度條件（25℃、30℃、35℃、40℃）下進(jìn)行計(jì)算，X=17.5m的截面上的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

（a）t=25℃（b）t=30℃

（c）t=35℃（d）t=40℃

通過圖5可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，煤油蒸汽分布較為分散，空間各位置濃度較低；當(dāng)溫度升高到30℃時(shí)，地面位置左側(cè)區(qū)域煤油蒸汽濃度明顯增大，這是由于該區(qū)域靠近煤油蒸汽入口，溫度升高加快了煤油的揮發(fā)；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至35℃，從（c）中可以看出，煤油蒸汽開始向地面右側(cè)區(qū)域蔓延；當(dāng)溫度升高到40℃時(shí)，很明顯可以看到地面區(qū)域的濃度繼續(xù)增大，尤其在入口位置，而且廠房內(nèi)上層空間的煤油蒸汽濃度也逐漸增大。可以得出，環(huán)境溫度的升高，使得廠房內(nèi)煤油蒸汽濃度上升，擴(kuò)散范圍增大，當(dāng)溫度超過煤油蒸汽閃點(diǎn)溫度時(shí)，影響明顯。為此，在廠房內(nèi)部進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采取措施防止廠房內(nèi)溫度過高。

2.3 通風(fēng)方式對(duì)煤油蒸汽濃度的影響

通風(fēng)方式會(huì)對(duì)空間內(nèi)氣體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響煤油蒸汽在廠房內(nèi)分布。為分析通風(fēng)方式對(duì)煤油蒸汽濃度的影響，本文選取Case3的工況條件，在廠房正中心位置，選取人員活動(dòng)較密集的空間（Z=0～5m）為監(jiān)測(cè)區(qū)域，分別計(jì)算了三種通風(fēng)口組合形式下的煤油蒸汽濃度分布狀況，其中，A方式：如圖2所示；B方式：在A方式的基礎(chǔ)上，6組通風(fēng)口位于該側(cè)廠房墻壁最頂部；C方式：A方式基礎(chǔ)上，一側(cè)3組通風(fēng)口位于該側(cè)廠房墻壁頂部，另一側(cè)3組通風(fēng)口位置不變。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

通過圖6可以看出，3種通風(fēng)方式條件下，隨著高度的增加，煤油蒸汽濃度先逐漸升高，然后逐漸降低，當(dāng)高度超過4m后，濃度逐漸穩(wěn)定。這是由于廠房內(nèi)整個(gè)空間較大，煤油蒸汽揮發(fā)速率一定，在一定時(shí)間內(nèi)，煤油蒸汽只能集中在某一高度下。同時(shí)可以看出，在2m以下的空間內(nèi)，煤油蒸汽濃度上升速率較快，其中B方式下濃度上升速率最高，其次是C方式，最低為A方式。這是由于B方式的通風(fēng)口全部位于頂部，而煤油蒸汽入口位于廠房底部，造成絕大部分的煤油蒸汽均集中在廠房的底部，由此可見，這種方式不利于降低廠房內(nèi)部煤油蒸汽的濃度。A方式的通風(fēng)口全部位于廠房底部，能夠及時(shí)稀釋剛揮發(fā)的煤油蒸汽。當(dāng)高度超過2m后，煤油濃度逐漸降低直至平穩(wěn)，其中A方式下的濃度最低。這是由于，一方面，煤油揮發(fā)速率有限，隨著高度增加濃度逐漸降低，另一方面，A通風(fēng)方式位于煤油較為集中的區(qū)域內(nèi)，對(duì)煤油蒸汽濃度具有更強(qiáng)的稀釋作用；C方式中有部分通風(fēng)口位于煤油蒸汽集中區(qū)域內(nèi)，稀釋作用相對(duì)A較弱；B方式作用最弱。由此可見，三種通風(fēng)方式中，采用A方式能更為有效的降低人員活動(dòng)密集區(qū)域空間內(nèi)的煤油蒸汽濃度。

3 結(jié)論

通過對(duì)燃油試驗(yàn)室廠房空間內(nèi)煤油蒸汽擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1）向廠房內(nèi)部輸送空氣能夠有效降低煤油蒸汽的濃度。

2）空間內(nèi)環(huán)境溫度升高，煤油蒸汽濃度增大，擴(kuò)散范圍擴(kuò)大，當(dāng)溫度達(dá)煤油閃點(diǎn)溫度時(shí)，影響明顯。

3）采用通風(fēng)口布置在空間內(nèi)底部的方式，能夠有效降低空間內(nèi)煤油蒸汽濃度。

根據(jù)結(jié)論，為降低燃油試驗(yàn)室安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取措施防止室內(nèi)環(huán)境溫度過高，同時(shí)通風(fēng)設(shè)施的布置位置應(yīng)盡量位于廠房底部。雖然本文通過采用數(shù)值模擬方法得出了相應(yīng)結(jié)論，但鑒于計(jì)算成本及周期，對(duì)燃油試驗(yàn)室中廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，以及忽略了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱、人員活動(dòng)等因素對(duì)蒸汽擴(kuò)散的影響，因此得出的僅為初步結(jié)論，之后，對(duì)于完善該方法仍然有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]