范林盛 劉 勇,2,3講師 李潤求,2教授 施星宇講師 周榮義,2,3副教授

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭 411201；4.長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

隨著化工行業(yè)的不斷發(fā)展，氯氣在工業(yè)上的用途越來越廣泛，目前氯氣儲運主要采用壓縮和低溫液化工藝，其液化氣體具有毒性、燃爆性、強腐蝕性等特點，在道路運輸過程中涉及到周圍環(huán)境、駕駛員、運輸車、運輸介質、應急管理等不確定因素，很大程度上增加了事故風險[1]，極易導致氯氣泄漏。據(jù)統(tǒng)計，2013-2019年共發(fā)生?；返缆愤\輸事故2 317起，其中泄漏事故占80%[2-3]，事故一旦發(fā)生，輕則造成環(huán)境污染，重則危及周邊地區(qū)人民群眾的生命和健康安全[4]。

21世紀，國內外學者在?；返缆愤\輸領域做了大量研究，早期主要集中在實驗、事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及模型研究幾個方面。2002年，潘旭海等[5]對我國發(fā)生的重(特)大、典型事故案例進行統(tǒng)計，總結了16種泄漏模式。近年來隨現(xiàn)代化信息技術的發(fā)展，涌現(xiàn)出以計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件為主的數(shù)值模擬方法，如黃琴、王東東、于立見、Robin K.S. Hankin等[6-10]對危險重氣瞬時泄漏和連續(xù)泄漏進行了研究。該方法在20世紀前就已經(jīng)誕生，但在近20年才真正得到較為廣泛的應用，CFD方法的出現(xiàn)很好地克服了理論分析與實驗研究的弱點，適用性廣，又可形象地再現(xiàn)流動情景，如今已大量運用在?；沸孤┭芯恐小Ｖ軐幍萚11]研究了大型LNG儲罐連續(xù)泄漏擴散過程的敏感影響因素；張錦榮等[12]根據(jù)不同氯氣濃度對人體的危害程度和擴散濃度等值曲線，將危險區(qū)域劃分為輕度、中度、重度和立即致死4個區(qū)域；鐘岸等[13]研究了環(huán)氧乙烷隨泄漏速率、自然風速和地面粗糙度變化時的動態(tài)擴散變化規(guī)律；王文和等[14]基于Fluent探討了改變泄漏速度、自然風速對氯氣泄漏分布帶來的影響。

以往氯氣泄漏數(shù)值模擬更多地關注在氣相泄漏，針對罐體不同相態(tài)泄漏擴散規(guī)律的研究相對較少。液氯槽罐車在運輸過程中發(fā)生泄漏時，不僅僅是單一的氣相泄漏，也可能是兩相流泄漏或液體泄漏。由于泄漏孔的位置將直接影響泄漏相態(tài)的變化，可將其分為泄漏口位于液面以上的氣相泄漏或位于液面以下的液相泄漏2種泄漏模式。綜上，本文采用Fluent軟件對液氯槽罐車不同泄漏模式進行相關數(shù)值模擬，深入分析風向、風速、泄漏孔徑對其泄漏擴散過程的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 液氯槽罐車泄漏物理模型

在液氯槽罐車道路運輸過程中，由于車輛碰撞、刮擦、側翻等原因，導致罐體受損從而引發(fā)泄漏事故。假定某液氯槽罐車在行駛過程中發(fā)生碰撞導致罐體尾部出現(xiàn)泄漏。泄漏過程中，由于連續(xù)性泄漏具有蒸氣云團等明顯現(xiàn)象，或車輛自身具有報警功能，可被立即發(fā)現(xiàn)，因此，模擬過程中將其假定為固定泄漏源。為簡化槽罐車模型，將其假定為長10m，直徑4m的圓形儲罐，距離地面高度為1m。考慮計算精度、計算機資源和阻塞率原則，計算域為100m×50m×30m。使用ICEM CFD軟件進行結構化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為60萬。采用“密度盒”網(wǎng)格加密方法，考慮到計算機的計算能力及網(wǎng)格質量，因此僅對罐體泄漏口下風向網(wǎng)格進行加密，如圖1。模型中X軸正方向為順風向，左側為風速入口，右側為出口；X軸負方向為逆風向，出入口相反。風速入口給定速度入口(Velocity Inlet)，氯氣泄漏口給定質量流率入口(Mass Flow Inlet)；罐體和四周設為固壁(Wall)條件。

圖1 計算域和網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and grid

本文所述氯氣泄漏后的流動可看為湍流流動過程，湍流模型選擇Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型，即“可實現(xiàn)”一詞也意味著模型中與雷諾應力有關的量滿足某些數(shù)學限制，與實際流動的物理情況相符，不僅能夠有效用于彎曲壁面流動，還能模擬包含有射流和混合流的自由流動。利用該模型模擬氯氣泄漏過程的射流現(xiàn)象更具有優(yōu)勢。

(1)湍流動能方程(k方程)。

(1)

式中：

k—湍流動能，m2/s2；

ε—湍流動能耗散率，m2/s3；

t—時間，s；

ρ—密度，kg/m3；

ui—時均速度，m/s；

μ—湍流粘度，Pa·s；

μt—湍流粘性系數(shù)，Pa·s；

xj,xi—空間坐標；

Pk—平均速度梯度引起的湍動能產生項；

Pb—浮力引起的湍動能產生項；

Sk—用戶自定義源項；

σk—湍流動能對應的普朗特數(shù)；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。

(2)耗散率方程(ε方程)。

(2)

式中：

υ—運動粘度，m2/s；

S—廣義源項；

σε—耗散率對應的普朗特數(shù)；

Sε—用戶自定義源項；

C1ε,C3ε,C2—經(jīng)驗常數(shù)；

η=Sk/ε；

1.2 泄漏量計算與條件假設

泄漏包括氣相、兩相流、液相3種泄漏源模式，由于液氯槽罐車罐體壁厚一般小于10cm，泄漏流程長度很短，存在不平衡條件，使得液氯沒有時間在孔洞內閃蒸，不會形成兩相流，因此僅考慮氣相、液相2種泄漏情形[15]，其泄漏模式見表1。

表1 液氯槽罐車泄漏模式Tab.1 The leakage model for the liquid chlorine tank

模擬過程中，發(fā)生氣相空間泄漏時，使用組分運輸模型模擬氯氣泄漏擴散過程；發(fā)生液相空間泄漏時，考慮到液氯流出后在外部迅速發(fā)生閃蒸，可使用混合模型和組分運輸模型模擬液氯泄漏擴散過程。泄漏速率可根據(jù)伯努利方程計算[16]：

(1)氣體泄漏。

(3)

(4)

式中：

Qm—氯氣質量流率，kg/s；

C0—氣體泄漏系數(shù)，圓形泄漏口可取1；

A—泄漏口橫截面積，m2；

p—罐體內部壓力，取1MPa；

p0—環(huán)境壓力，101kPa；

M—相對分子質量，kg/mol；

T—氣體溫度，取288.15K；

γ—氣體等熵指數(shù)，氯氣取1.35；

Rg—氣體常數(shù)，通常取值8.314 36 J/mol·k。

(2)液體泄漏。

(5)

式中：

Cd—液體泄漏系數(shù)，通常取0.60～0.65；

ρf—泄漏液體密度，取1 398kg/m3；

h—裂口上液位高度，取2.5m；

g—引力常數(shù)，取9.8m/s2。

液氯泄漏后與外界環(huán)境接觸會立即發(fā)生閃蒸，可根據(jù)式(6)判斷是否形成液池：

(6)

式中：

Cp—兩相混合物的定壓比熱，取0.957kJ/kg·K；

T0—泄漏前液體溫度，取298.15K；

Tb—液體在常壓下的沸點，取238.65K；

H—液體的汽化熱，取280kJ/kg。

根據(jù)經(jīng)驗，當Fv>0.2時，地面一般不會形成液池。

由幾何模型數(shù)據(jù)計算得液氯槽罐車氣體泄漏質量流量為0.92kg/s，液體泄漏質量流量為4.03kg/s。模擬基本假設和簡化條件如下：液氯罐體泄漏口處的泄漏速率恒定；罐體視為絕熱壁面，環(huán)境初始溫度為25℃；泄漏過程中不發(fā)生任何化學反應；風速為水平方向，大小恒定，不隨高度與溫度變化；假設泄漏氣體和環(huán)境氣體為理想氣體。

2 模擬結果分析

氯氣是一種具有強腐蝕性的有毒氣體，對環(huán)境與人體的危害極大，即使吸入少量也會導致致命性傷害甚至死亡。根據(jù)《工作場所空氣中有毒物質容許濃度》中規(guī)定，大氣中所存在氯濃度大于3 000mg/m3時人體吸入少量就會立即死亡，換算成體積摩爾濃度為4.23×10-5kmol/m3。為研究不同泄漏模式對事故后果的影響，分析不同風速、風向、泄漏孔徑對其泄漏擴散過程的影響，對如下工況進行模擬，見表2。

表2 氯氣泄漏工況Tab.2 Chlorine gas leakage conditions

2.1 氣相空間泄漏模擬分析

泄漏口設置在液面以上，距罐頂0.5m處，取平面y=1.5m為呼吸高度，對該平面的氯氣泄漏擴散云圖進行分析。圖2為發(fā)生氣相空間泄漏時，不同風向、風速條件下平面y=1.5m的氯氣濃度分布云圖。當風向為順風向時，在云團的橫截面上，泄漏初期階段氯氣主要聚集在罐體正前方，并隨著風速增大，沿X軸的擴散速度越快、距離越遠，沿Z軸的擴散距離縮小。

當風向為逆風向時，風速越大，罐體周圍的氯氣稀釋的越快。在擴散過程中氯氣先沿順風向擴散后又反向擴散，這是由于罐體內部壓力高于環(huán)境壓力，蒸氣以一定初速度向外噴射，受到空氣阻力及風向的影響，氯氣速度減小隨后反向流動擴散。比較分析知，氣相空間泄漏擴散的范圍大小受風向的影響不明顯，風速的增加加劇了氣云的平流輸送作用，單位時間內向前輸送的距離越遠。

2.2 液相空間泄漏模擬分析

改變泄漏孔高度，將其設置在液面以下距罐底1m處。圖3為液相空間泄漏不同風向、風速條件下平面y=1.5m氯氣濃度分布云圖。順風向泄漏擴散時，云團出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，具有中間低、兩側高的特點，分析認為由于液氯泄漏時存在初始動量，流落到地面后受到風速影響開始向側前方蔓延同時發(fā)生閃蒸，而罐體正前方速度較小，并沿側前方逐漸增大，風速增大使得湍流運動越劇烈，大氣湍流效應與重力共同作用使得氯氣呈現(xiàn)向前向上的擴散運動，且兩側擴散速度高于中間部分。

逆風向泄漏擴散時，云團前端出現(xiàn)“尖端”，濃度高于兩側，這是由于在X軸方向上距罐體越遠風速越大，導致云團前端的擴散速度比兩側快，從而出現(xiàn)濃度“尖端”。由圖3可以看出，液相空間泄漏范圍呈扇形展開，順風向與逆風向泄漏擴散范圍受風速影響明顯，風速越大時，致命范圍越大，擴散速度越快。

圖2 氣相空間泄漏擴散云圖Fig.2 Contours of leakage and diffusion in gas phase space

圖3 液相空間泄漏擴散云圖Fig.3 Contours of liquid leakage and diffusion in liquid phase space

2.3 不同泄漏模式同風向擴散對比分析

為分析液氯槽罐車氣相空間、液相空間泄漏擴散濃度分布特點，設置Z軸中心處高度y為1、2、3、4m的4條線段，在不同風速條件下，氯氣順風向泄漏40s時，監(jiān)測沿X軸方向上的氯氣濃度變化情況。由圖4可知，液氯槽罐車發(fā)生液相空間泄漏時，在x=5～10m段(泄漏口處周圍)出現(xiàn)氯氣濃度的最大值，隨后緩慢下降，且大量的氯氣主要沉聚在距地高度1m以下；對比風速為2、4m/s條件下氯氣濃度的分布，速度較大時，高度y=1m處氯氣濃度較小。

發(fā)生氣相空間泄漏時，在y=4m，x=10m處(泄漏口附近)出現(xiàn)濃度最大值并隨著擴散沿X軸方向迅速降低；對比風速為2、4m/s條件下氯氣濃度的分布，當風速為2m/s時氯氣濃度下降趨勢較快，在x=16m處氯氣沉降到高度y=1m，隨后氯氣濃度出現(xiàn)緩慢上升，這是因為在氯氣與空氣混合后密度減小，氣云緩慢上升，同時受到風速影響繼續(xù)向前輸送，導致氯氣濃度出現(xiàn)短暫上升階段，在擴散一段距離后氯氣進一步被稀釋，濃度開始緩慢下降；當

圖4 氣相、液相空間泄漏氯氣濃度隨擴散距離變化Fig.4 The chlorine concentration changes with different diffusion distance when leakage in the liquid phase and gas phase space

風速為4m/s時氯氣濃度下降趨勢相對緩慢，在x=20m處氯氣沉降到高度y=1m。

為探究液氯槽罐車泄漏后的氯氣濃度變化規(guī)律，進行多組不同泄漏時間的模擬計算分析，計算至120s時，其氯氣濃度具有逐漸穩(wěn)定的趨勢。圖5、6為不同泄漏模式泄漏120s，監(jiān)測點(30,1.5,0)的氯氣濃度變化情況。發(fā)生氣相空間泄漏時，不同風速條件下監(jiān)測點處濃度值最高均達到6×10-4kmol/m3，并在泄漏初期濃度曲線出現(xiàn)振蕩，60s后保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，風速越高，曲線振蕩越劇烈，相對穩(wěn)定后的濃度越低。

發(fā)生液相空間泄漏時，曲線未出現(xiàn)劇烈振蕩現(xiàn)象，僅有一個峰值。當風速為2m/s，曲線在40s處達到峰值濃度2.7×10-4kmol/m3，60s后保持平穩(wěn)；當風速為4m/s，曲線在20s處達到峰值濃度5.5×10-5kmol/m3，40s后保持平穩(wěn)。兩者對比可以發(fā)現(xiàn)，風速越大時，監(jiān)測點濃度變化速率越快，峰值濃度越低，保持相對平穩(wěn)后的氯氣濃度也越低，表明隨風速增加大氣湍流作用越強，擴散作用越明顯。

圖5 點(30,1.5,0)氣相空間氯氣濃度監(jiān)測曲線Fig.5 The observation curve of the chlorine concentration in gas phase space at point (30,1.5,0)

圖6 點(30,1.5,0)液相空間氯氣濃度監(jiān)測曲線Fig.6 The observation curve of the chlorine concentration in liquid phase space at point (30,1.5,0)

2.4 不同泄漏孔徑泄漏影響分析

考慮順風向自然風速為4m/s時，泄漏孔徑分別為3、6、10mm的泄漏擴散情形，圖7為泄漏擴散15s時平面y=1.5m的氯氣濃度分布情況。當泄漏孔徑為3mm時，氣相泄漏的致命范圍僅出現(xiàn)在罐體后部，范圍較小；液相泄漏暫未出現(xiàn)氯氣致命濃度范圍，此時周圍人員應迅速撤離。當泄漏孔徑為10mm時，液相泄漏的致命范圍遠遠大于氣相泄漏，在Z軸方向的擴散距離遠遠大于3、6mm小泄漏孔?？梢钥闯?，隨泄漏孔徑的增大，氣相、液相泄漏模式的致命范圍均隨即擴大。

圖7 不同泄漏孔徑氯氣濃度分布云圖Fig.7 Contours of chlorine concentration distribution in different hole size

3 結論

(1)對比2種泄漏模式，風向、風速對氣相空間泄漏擴散的范圍大小的影響主要體現(xiàn)在Z軸方向，液相空間泄漏擴散范圍的影響更為明顯。當風速為2m/s，無論風向為順風向或逆風向，氣相空間泄漏擴散的致命范圍均大于液相空間泄漏；當風速為4m/s，液相空間泄漏擴散的致命范圍遠遠大于氣相空間泄漏擴散的致命范圍。

(2)氣相空間氯氣泄漏初期不穩(wěn)定，濃度變化起伏較大，液相空間泄漏過程相對穩(wěn)定，氯氣主要聚集在距地高度1m以下；風速對2種泄漏模式擴散過程的影響具有相似點，風速越大時，峰值濃度越低，保持相對平穩(wěn)后的氯氣濃度也越低。

(3)氣相、液相泄漏模式的致命范圍均隨泄漏孔徑的增大而增大；當泄漏孔徑達到10mm時，液相泄漏致命范圍沿Z軸擴散大幅度增加。

(4)本文對液氯槽罐車不同泄漏模式進行數(shù)值模擬，得到的不同條件下氣相、液相空間氯氣泄漏擴散規(guī)律，可對?；返缆愤\輸應急救援提供依據(jù)，減小毒氣擴散的危害。