朱柯壁，吳文鋒，甄長(zhǎng)文，張建偉，盧金樹

(浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022)

當(dāng)前我國(guó)港口大氣污染較為嚴(yán)重，港口油船裝卸貨過程中排放的揮發(fā)性有機(jī)物VOCs(volatile organic compounds)等污染物向港區(qū)外圍擴(kuò)散，港區(qū)附近人體健康受到嚴(yán)重影響，同時(shí)在外部自然條件的影響下，污染物發(fā)生遷移，擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的區(qū)域，加重其危害。近年來(lái)，污染源污染物的泄漏擴(kuò)散問題引起國(guó)內(nèi)一些學(xué)者的關(guān)注。

目前，針對(duì)VOCs連續(xù)泄漏的問題很多學(xué)者已開展相關(guān)研究，趙晨露等[1]發(fā)現(xiàn)外界風(fēng)速引起的泄漏點(diǎn)油氣擴(kuò)散系數(shù)大于油氣分子在無(wú)風(fēng)時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)。黃維秋等[2]模擬了汽油在限制空間的擴(kuò)散排放，發(fā)現(xiàn)進(jìn)油口高度越高，排放出的油氣量越大。閆會(huì)賓等[3]針對(duì)海上油氣的一個(gè)處理模塊，建立了多組不同風(fēng)速和泄漏速率組合的泄漏擴(kuò)散CFD模型，深入討論氣體濃度的分布與形成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氣體擴(kuò)散后的濃度分布均可以在一定時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。然而，現(xiàn)階段針對(duì)VOCs瞬時(shí)泄漏的擴(kuò)散類分析卻鮮有研究。

本文針對(duì)油船裝卸貨發(fā)生的VOCs瞬態(tài)泄漏事故，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)其擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，考慮風(fēng)速改變對(duì)擴(kuò)散濃度分布的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文假定某港區(qū)油船裝貨過程中突發(fā)原油泄漏事故，導(dǎo)致在瞬時(shí)產(chǎn)生大量VOCs氣體。考慮到氣體擴(kuò)散范圍較廣，因此氣體擴(kuò)散空間模型選定為長(zhǎng)350 m、寬115 m、高33 m的大長(zhǎng)方體，瞬時(shí)泄漏源設(shè)置長(zhǎng)為12.4 m、寬為6.2 m、高為13 m、容積為1 000 m3的小長(zhǎng)方體(小長(zhǎng)方體的x軸中心點(diǎn)坐標(biāo)為 (40，0，0))。在空間范圍內(nèi)選取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：點(diǎn) 1(100，30，1.6)，點(diǎn) 2(160，40，1.6)，點(diǎn) 3(220，50，1.6)具體幾何模型參數(shù)如圖 1 所示。

圖1 計(jì)算域模型Fig.1 Computing domain model

1.2 數(shù)學(xué)模型

揮發(fā)性有機(jī)物VOCs擴(kuò)散過程中，所需控制方程主要包括一個(gè)連續(xù)方程、三個(gè)動(dòng)量方程、一個(gè)能量方程和一個(gè)組分方程。由于大氣環(huán)境是非定常湍流流動(dòng)，因此還需要合適的湍流模型。

ρ 為混合物的密度，uj為 3 個(gè)方向的速度(υ，ν，ω)。

μ為流體的有效動(dòng)力粘度，μt為流體的湍流粘度，g為重力加速度，P為絕對(duì)壓力。

T為流體的溫度，Cp為混合流體的定壓比熱，Cpv為泄漏物質(zhì)的定壓比熱，Cpa為空氣的定壓比熱。

ω為組分的質(zhì)量分率，Dt為流體的湍流擴(kuò)散系數(shù)。

(5)湍流模型

考慮湍流脈動(dòng)速度的輸運(yùn)和湍流脈動(dòng)長(zhǎng)度的輸運(yùn)采用RNG κ-ε湍流模型，比較符合氣體泄漏擴(kuò)散的工況[4]。

湍流速度ut：

Gk是層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Gb是浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，YM是過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，C1，C2，C3，Cμ是常量，σk和σe是κ方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Se是用戶定義的。模型常量G1e=1.44，G2e=1.92，Cμ=0.09，σk=1，σe=1.3。

2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 擴(kuò)散系數(shù)設(shè)置

VOCs的擴(kuò)散系數(shù)決定著其運(yùn)移與蒸發(fā)，本文采用Fuller經(jīng)驗(yàn)公式[5-6]計(jì)算VOCs的擴(kuò)散系數(shù)，該公式在本研究數(shù)值仿真的溫度下計(jì)算準(zhǔn)確度較高，其計(jì)算公式：

式中：DVA為氣體擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；T 為液貨艙內(nèi)溫度，K；P 為氣體絕對(duì)壓力，Pa；MV、MA為 VOCs與空氣的摩爾質(zhì)量，g·mol-1；VV、VA分別為VOCs及空氣的分子擴(kuò)散體積。

2.2 初始條件設(shè)置

在初始時(shí)刻，將泄漏源泄放物質(zhì)濃度設(shè)置為1，計(jì)算域其余空間設(shè)置為空氣，整體溫度定為300 K，且假定在泄漏過程中溫度不發(fā)生變化；壓強(qiáng)為101 325 Pa，大氣穩(wěn)定度為D(-1℃/100 m)。流體進(jìn)口界面(ADHE面)設(shè)置為速度進(jìn)口；流體出口界面(BCGF面)設(shè)置為壓力出口；EFGH面、DCGH面和ABFE面設(shè)置為自由界面；ABCD面設(shè)置為壁面。

2.3 進(jìn)口風(fēng)速設(shè)置

假定風(fēng)向?yàn)楹泔L(fēng)向，方向與X軸正方向一致。進(jìn)口風(fēng)速隨高度變化的函數(shù)關(guān)系[7]如下所示：

uz為離地z高度上的平均風(fēng)速(m·s-1)；u1為離地z1高度上的平均風(fēng)速(m·s-1)(z1是標(biāo)準(zhǔn)參考高度，u1是標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)參考高度取為10 m)。

z0為粗糙度長(zhǎng)度(cm或m)，z0是地面動(dòng)力學(xué)粗糙度的一種度量，與粗糙度要素的高度有關(guān)，是粗糙度要素的形狀和密度分布的函數(shù)[8]。本文z0取值為0.01 m。

本文設(shè)置3組不同風(fēng)速的對(duì)比數(shù)值模擬。第1組試驗(yàn)10 m高風(fēng)速設(shè)置為2.4 m·s-1，第2組試驗(yàn)10 m高風(fēng)速設(shè)置為5 m·s-1，第3組試驗(yàn)10 m高風(fēng)速設(shè)置為10 m·s-1(之后講風(fēng)速全部指10 m高風(fēng)速)。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬驗(yàn)證

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]對(duì)比情況如圖2和圖3所示。

圖2 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison of simulated data and test data

圖3 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated data and test data

從圖2、3中可以看出：模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，但二者初始濃度出現(xiàn)時(shí)間存在偏差。分析原因，首先由于試驗(yàn)條件、儀器精度等因素的限制以及試驗(yàn)忽略溫度變化對(duì)蒸發(fā)速率及飽和濃度的影響，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差不可避免；其次，在數(shù)值模擬過程中風(fēng)向不會(huì)發(fā)生改變，而在實(shí)測(cè)過程中風(fēng)向可能會(huì)發(fā)生改變，由此引起初始濃度出現(xiàn)時(shí)間的誤差。

3.2 VOCs擴(kuò)散分析

為研究大氣風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散過程的影響，通過對(duì)不同風(fēng)速計(jì)算得出VOCs的擴(kuò)散云圖，選取不同時(shí)刻Y=2 m處的XZ面上泄漏物質(zhì)濃度云圖如圖4和圖5。

圖4 泄漏物質(zhì)濃度云圖Fig.4 Cloud of leaked matter concentration

圖5 泄漏物質(zhì)濃度云圖Fig.5 Cloud of leaked matter concentration

由圖分析可知，時(shí)間為0 s時(shí)(此時(shí)未發(fā)生泄漏)，VOCs被限制在容器內(nèi)，其內(nèi)部濃度即為初始濃度。當(dāng)發(fā)生瞬態(tài)泄漏時(shí)，VOCs迅速向四周擴(kuò)散。

對(duì)比分析風(fēng)速為2.4 m·s-1時(shí)的濃度云圖變化。當(dāng)時(shí)間為0.8 s時(shí)，在氣云上邊界有明顯的渦產(chǎn)生，時(shí)間為1.6 s時(shí)，上邊界旋渦逐漸消失，擴(kuò)散的距離明顯增大。上述現(xiàn)象可以從兩個(gè)方面加以解釋：(1)在擴(kuò)散過程中，由于VOCs受到重力影響，呈下降趨勢(shì)，且密度越大其下降的趨勢(shì)及速度越明顯；(2)由于氣體云受到風(fēng)的平流輸送作用的影響，在擴(kuò)散過程中風(fēng)加劇VOCs向下風(fēng)向輸送。時(shí)間為0.8 s時(shí)，由于氣體的重力下降強(qiáng)于風(fēng)的對(duì)流作用，造成了渦的產(chǎn)生；當(dāng)速度為1.6 s時(shí)，主風(fēng)向的平流輸送作用占主導(dǎo)地位，加速氣云向下風(fēng)向擴(kuò)散的同時(shí)，也遏制氣云在豎直方向上的擴(kuò)散。

分析風(fēng)速為5 m·s-1時(shí)的濃度云圖變化，對(duì)比速度為2.4 m·s-1，隨風(fēng)速增大，氣云隨風(fēng)的運(yùn)移速度加快，但是氣云上邊界的渦明顯減小。相同時(shí)刻下，隨著風(fēng)速的增大，氣云沿著風(fēng)速方向運(yùn)移的較為明顯，風(fēng)速越小的沉降現(xiàn)象越明顯。風(fēng)速的增大，風(fēng)力對(duì)氣云的平流輸送作用大于重力作用，所以平流輸送作用越顯著。

對(duì)比分析表1可看出，擴(kuò)散前期，主導(dǎo)物料運(yùn)動(dòng)的作用力主要為氣云本身的重力及外界的風(fēng)速，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，重力作用漸漸變小，風(fēng)速主導(dǎo)氣云的擴(kuò)散。

對(duì)比分析上表中云圖，相同時(shí)刻下，隨著風(fēng)速的增大，VOCs擴(kuò)散速度也隨之增大，即風(fēng)速加快了氣體的運(yùn)移。風(fēng)速的增大引起脈動(dòng)速度增大，隨之湍流運(yùn)動(dòng)加劇，湍流擴(kuò)散作用增大加速了氣云的擴(kuò)散。根據(jù)上面分析2 s內(nèi)云圖可知風(fēng)速小的有明顯沉降現(xiàn)象，隨時(shí)間推移形成反向回流現(xiàn)象，風(fēng)速為10 m·s-1的沒有沉積現(xiàn)象，隨之也沒有反向回流現(xiàn)象。分析反向回流發(fā)生的原因，泄漏發(fā)生時(shí)VOCs迅速向四周擴(kuò)散，在擴(kuò)散初期，由于風(fēng)速的影響，VOCs整體向下風(fēng)向移動(dòng)，由于重力作用的影響，形成了反風(fēng)向流動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速足夠大時(shí)，風(fēng)的對(duì)流作用強(qiáng)于重力下降作用引起的反風(fēng)向回流。即風(fēng)的對(duì)流作用阻礙了反向回流的產(chǎn)生，也解釋了風(fēng)速較小的情況下，氣云擴(kuò)散初期在氣云的上邊界有沉積現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.3 風(fēng)速對(duì)VOCs擴(kuò)散濃度的影響

3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)散濃度隨時(shí)間變化曲線圖如圖6～8所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1濃度曲線圖Fig.6 Monitoring point 1 concentration curve

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2濃度曲線圖Fig.7 Monitoring point 2 concentration curve

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3濃度曲線圖Fig.8 Monitoring point 3 concentration curve

對(duì)比分析圖6～8可以看出兩點(diǎn)：

(1)風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，在時(shí)間為5.2 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1出現(xiàn)濃度變化，時(shí)間為7 s時(shí)濃度檢測(cè)點(diǎn)1的濃度達(dá)到最大為0.29；當(dāng)速度為5 m·s-1時(shí)，在時(shí)間為7 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1出現(xiàn)濃度變化，時(shí)間為9.8 s時(shí)濃度達(dá)到最大為0.21；當(dāng)速度為2.4 m·s-1時(shí)，在時(shí)間為9.5 s時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1才出現(xiàn)濃度變化，時(shí)間為12 s時(shí)濃度達(dá)到最大為0.15。這說明隨著風(fēng)速的增大，會(huì)加劇風(fēng)對(duì)氣體云的平流輸送作用，風(fēng)速越大，輸送作用越明顯，同時(shí)濃度也越高。

(2)當(dāng)速度為10 m·s-1時(shí)，從5.2 s到19 s監(jiān)測(cè)點(diǎn)持續(xù)檢測(cè)到濃度值變化；當(dāng)速度為5 m·s-1時(shí)，從7 s到55 s持續(xù)檢測(cè)到濃度值的變化；當(dāng)速度為2.4 m·s-1時(shí)，時(shí)間從9.5 s起一直可以檢測(cè)到濃度的變化?？梢钥闯?，風(fēng)速越小，氣云的擴(kuò)散越慢，同時(shí)停留的時(shí)間也越長(zhǎng)。

對(duì)比分析圖6～8，同一風(fēng)速下，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度曲線(3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置的位置，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離泄漏源依次增大)，初始濃度出現(xiàn)時(shí)間隨距離的增大而增大，初始濃度最大值隨距離的增大而減小。相同的泄漏條件下，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)速越大初始濃度出現(xiàn)的時(shí)間越早，風(fēng)速越大的初始濃度最大值越高，風(fēng)速小的濃度持續(xù)時(shí)間越久。通過事故后果及其危險(xiǎn)性分析可以看出，風(fēng)速較大時(shí)會(huì)加劇VOCs的擴(kuò)散，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，濃度在短時(shí)間內(nèi)迅速減小直至不存在。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，VOCs擴(kuò)散快，危害時(shí)間較短，但由于到達(dá)了爆炸的下限值，所以被引燃或引起爆炸的可能性增大。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，雖然氣云擴(kuò)散速度較慢，氣云停留的時(shí)間長(zhǎng)，但是擴(kuò)散濃度低于爆炸下限值，所以降低了爆炸發(fā)生的可能性。因此當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，VOCs的擴(kuò)散也會(huì)引起非常嚴(yán)重的后果。

4 結(jié)論

基于港區(qū)油船裝卸貨VOCs泄漏擴(kuò)散的現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)后得出以下主要結(jié)論：

(1)對(duì)比3種不同的風(fēng)速值，在泄漏擴(kuò)散發(fā)生的前期，風(fēng)速較小的會(huì)出現(xiàn)沉積現(xiàn)象；由于重力的影響，風(fēng)速小時(shí)氣云會(huì)出現(xiàn)反向回流現(xiàn)象。風(fēng)速增大時(shí)，對(duì)氣云產(chǎn)生的推力也增大，VOCs運(yùn)移現(xiàn)象也越明顯，減小氣云的沉積現(xiàn)象和反向回流現(xiàn)象。

(2)在不同風(fēng)速的影響下，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)速越大初始濃度出現(xiàn)的越早，初始濃度峰值越大，VOCs擴(kuò)散的距離也越遠(yuǎn)，風(fēng)速的增大，有利于VOCs的擴(kuò)散，但擴(kuò)散濃度較高進(jìn)而加大了被引燃或引起爆炸的可能性增大。

(3)VOCs發(fā)生泄漏時(shí)，如果風(fēng)速較小時(shí)應(yīng)當(dāng)注意避免人長(zhǎng)時(shí)間吸入VOCs進(jìn)而對(duì)人體造成慢性傷害；如果風(fēng)速較大時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)避免明火的出現(xiàn)進(jìn)而消除引燃或引起爆炸的威脅。