危险物泄漏扩散过程的重气效应

1、收稿日期:1998205211第一作者:男,33岁,在职博士生,讲师国家“九五”科技攻关项目(No.962918201203危险物泄漏扩散过程的重气效应张启平麻德贤(北京化工大学计算机系,北京,100029摘要分析了具有重气效应特性危险物的泄漏扩散过程,着重讨论了事故泄放过程的决定因素重量作用阶段的云团行为,并给出了过程的数学模型。关键词危险物;泄放过程;重气效应;数学模型分类号TQ01519引言在石化、能源等行业的大规模的生产、运输、储备过程中,涉及到各类具有易燃、易爆和剧毒等危险特性的产品及中间介质。此类危险物,在正常条件下多以气体状态出现,如:甲级易爆物液态烃,极具毒性的氯、氨、一甲氨等

2、。在通常情况下,为便于存储和运输,根据危险物的物性,多采用常温加压、低温加压等方式,使其为液体状态。但同时也引发了负面问题,即一旦储存用的压力容器发生事故泄漏,高压液化气体将以连续源、瞬时源的方式,迅速蒸发,形成气、液混合的低温蒸汽云团或云羽。在泄漏事故的初期,混合蒸汽云发生重量沉降,使其悬浮弥漫于泄漏源周围的地表。倘若气象条件不利或是周围地理环境不够平坦,蒸汽云的扩散会很慢,局部空间的浓度急剧升高,若达到爆炸的危险阈值范围或遇意外明火,极易导致二次爆炸事故的发生。1998年3月发生在西安的液化气站的泄漏爆炸事故,充分证明了泄漏扩散过程中重气效应的主导作用。1蒸汽云的重气效应扩散过程111重气

3、效应危险物泄漏扩散的重气效应,包括两方面的含义,一是由于介质在接近其蒸发温度时,因气相状态的密度比空气重所导致的云团的沉降过程。二是储存于加压储罐的某些介质在其沸点的密度低于大气,但由于液相介质在接触周围暖空气(20时,迅速闪蒸,一部分介质形成蒸气,其余介质呈现液体状态,以保持气液平衡,同时相当一部分的液态介质以液滴的方式雾化在蒸气介质中。在泄放初期,形成含有液滴夹带的混合蒸气云团,使蒸气密度高于空气密度,造成云团的重量沉降。112重气效应的扩散过程具有重气效应的蒸气云团的泄放过程要经历如下阶段:第25卷第3期1998年北京化工大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UNIVERS

4、ITY OF CHEMICAL TECHNOLO GY Vol.25,No.31998(1源模型初始状态的建立、计算。包括基于爆炸、无源、喷射等产生的瞬时空气夹带。对重气效应而言,此阶段在t =0时结束。(2密度差作用下的重量沉降。包括三方面的变化过程:一是重气塌陷引起云团径向的尺寸增大。二是周围风场的动量作用于云团加速及热能传递。三是空气的夹带速率由云内的密度结构分层和径向变化速率决定。此过程主要体现重量沉降的径向作用,空气夹带和能量交换为辅。(3重量和大气湍流特性迭代作用。在此阶段,重量沉降结束,云团高度开始增大,空气夹带起主导作用。(4密度差达到一定限度,云团的高度、半径及运行状态完全取

5、决于大气湍流特性。云团扩散过程中的重气效应,体现在湍流的抑制、密度梯度作用下的径向重量扩散。重气云可以改变大气风场特性,形成稳定的重气云的层间界面,从而抑制了外部大气湍流的渗透。图1描述了密度分层对空气夹带的作用。图中f 为混合云团的液滴含量。这样,云内湍流的动能不能够提供一定的流素,风场的改变相对隔离了云团与大气流间的联系,云团以低于风速的速度沿下风向运动。同时,重量沉降具有强力的冲击效应,使云团在初始阶段沿上风向有一定的扩展距离。如图2所示 。图1空气夹带量与密度比的关系Fig.1Density rate (c /a as a function ofmass rate of air ent

6、rained and leakage (m a /m c 图2云团边沿上风向位置与时间的关系(假定风速为3m/s Fig.2Position of trailing edge of cloud(assuming a wind speed of 3m/s 2重气效应过程的数学模型蒸汽云团扩散过程重气效应的数学模型由如下部分组成:源云团初始状态参数(包括初始冲淡;重量沉降;能量传递和空气夹带1。211源云团初始状态云团温度为大气条件下泄漏介质的沸点;体积结构参数有半径和高度,由热力学平衡方程给出;介质、空气质量比取决于储存条件及泄漏量(110120;水蒸汽含量根据大气湿度而定,常忽略不计;密度和云

7、速。212重量沉降2重气效应导致云团在扩散初期出现凹陷现象,云团的半径R 、云团的高度h 为时间的函数,表示为:78第3期张启平等:危险物泄漏扩散过程的重气效应d R d t =k gh -a a (1图3云团半径2时间曲线Fig.3Growth of radius of slumping PU FF as a function of time式中,云内密度;a 大气密度;k 系数;g 重力加速度。函数变化趋势,如图3所示。由图3可见,R 2t 函数曲线在重量沉降阶段梯度较大,而且是泄漏量的函数。相对而言,无源扩散阶段的变化率则较小。在重量沉降初期,空气的夹带缓慢,云团的高度随时间而减少。当重

8、量效应渐弱,空气夹带和云团高度会迅速增大。如图4所示。213空气夹带空气夹带是云团冲淡过程,包括顶端夹带和侧面夹带。在初始阶段,顶端面积较小, 夹带以侧面为主 ,U E 为侧面夹带速度,函数关系为:图4云团高度h 与空气夹带量m 的时间函数关系Fig.4Height of cloud and mass of air entrained as a function of timed m E d t=2R h a U E ;(2U E =E d Rd t(3云团凹陷使顶端夹带增大,进而主导夹带状态,U T 为顶端夹带速度,表示为:d m T d t=a R 2U T ;(4U T =u 1122+

9、Ri 1度为2(5u 1=u 3(3112-01233sp 88北京化工大学学报1998Ri =g L u 21;L H r =11776H H r g 0148式中,u 1大气湍流速度,L 云团湍流边长,Ri Rechard 系数,u 3摩擦速度,相对密度变化率,H ,H r 云团的高度及参考高度,sp 大气稳定度,1,2系数,E 夹带系数。云团的空气夹带时间函数:d m a d t =d m E d t +d m T d t式中,m a 云团夹带空气质量,m E 云团侧面夹带空气质量,m T 云团顶端夹带空气质量。在高夹带速度,低Ri 时,夹带速度取决于湍流速度。214能量传递重量云团因其

10、沸点常常低于0,大多为低温状态。因此,在重气效应作用过程中,存在着热能的交换。它包括两部分:(1地表及相对的高温环境对低温云团的热传递,若云内温度(T 与环境温度(T g 差为T g 时,能量函数为:Q 1=g (R 2T 4/3g (6式中,g 为热能传递系数。(2夹带热空气的热量带入,对于空气温度(T a 相对云团温度(T 的温差T a ,能量函数式:Q 2=d m a d t c p aT a (7则云团温度的时间函数:d T d t=d m a d t c p a T a +g (R 2T 4/3g (m a c p a +m c c p c (8式中,c p a 空气比热容,c p

11、c 介质比热容。另外,基于热力学能量守衡原理,采用工程迭代方法的模式,对云团的能量传递3进行求解。即:H T +Q =H F 。H F =m a h af +m cl h clf +m cv h cvf +m wv h wvf +m wl h wlf +m ws h ws f(9式中,H T 初始的热量,Q 吸入热量,H F 最终热量,m a 空气夹带质量,m cl 介质液相质量,m cv 介质气相质量,m wv ,m wl ,m ws 水的气相、液相、固相质量,H af 干燥空气的热焓,h clf ,h cvf 介质液相、气相热焓,h wlf ,h wvf ,h ws f 水的气相、液相、固

12、相热焓。对于混合云团的过程温度,应在特征点处合理地界定其相应范围,在各温度范围中各物质组分的相态唯一对应,通过数字循环迭代方式,最终得到云团的瞬间温度值等相关状态参数。T 2M a /M c 曲线如图5所示。3结束语在分析云团重气效应的行为过程中,考虑了云团的初始密度、泄漏模式、风速、大气98第3期张启平等:危险物泄漏扩散过程的重气效应图5云团温度2空气夹带函数关系Fig.5cloud temperature (K as a function of mass rate of air entrained and leakage (M a /M c 稳定度、温度等因素的影响的同时,应注意到:云内密

13、度分层,大气湍流作用下的空气夹带明显减少;云团在上风向的距离扩散。另外,在重量效应阶段,需要考虑某些危险物在常态条件下与水蒸汽之间的物理和化学反应。参考文献1K aiser G D.A review of models for predicting the dis 2persion of ammonia in the atmosphere.Plant/Opera 2tions Progress ,1989,8(1:5864全科学学报,1997,7(增刊:40451982E ffect of heavy gas of dangerousm aterial in diff usion proces

14、sZhang Qiping Ma Dexian(Department of Computer ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing ,100029Abstract The process of diffusion of dangerous Materials with heavy gas effect is analyzed.Emphasis is put on disscussing the main factor of accidental diffusion actions of vapor cloud during te

15、rm of gravity effect.The process mathematics model has been established.K ey w ords dangerous material ;diffusion process ;effect of heavy gas ;mathematics model (上接第85页Dealing with Application Documents of MultipleKinds by MFCWang Xiaochuan Zhao Hengyong(Department of Computer ,Beijing University o

16、f Chemical Technology ,Beijing ,100029Abstract This article introduces the way how to deal with documents of multiple kinds in Windows and MFC (Microsoft Foundation Class based on application programs using the Vi 2sual C +language.In a report generation program ,for instance ,both data documents storing the format and contents of the report and command documents that the data are operated by are to be processed.However ,the two windows concerned are completely different from each other in external performance and internal mechanism.It is the