气体泄漏扩散模型

1、Vol. 40No. 7(2009ZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRY 文章编号:1006-4184-(2009 07-0018-05重质气体泄漏扩散模型研究综述黄文宏 1, 章保东 1, 包其富 1, 朱建新 2(1. 浙江省安全工程与技术研究重点实验室 , 浙江 杭州 310012;2. 浙江工业大学机电学院 , 浙江 杭州310014摘 要 :扼要概括和评价了重质气体泄漏扩散的三种主要模型 :唯象模型 、 工程模型 、 三维传递现象模型 , 唯象模型和工程模型由于使用方便 、 概念清晰且计算量较小 , 主要用于风险评估和环境评估 系统 , 是应急咨询和安全设计的重要工具

2、。 而三维传递现象模型能够更好地描述重气在复杂地形和气 象条件下的扩散过程 。 通过各类模型的介绍指出了近几年重气泄漏扩散模型将向多组分重气在复杂 地形 、 气象条件下的扩散模拟研究等方向发展 。关键词 :重气 ; 扩散 ; 模型修回日期 :2008-12-17基金项目 :浙江省科技厅科研院所开发项目 (编号 :2006F12014 作者简介 :黄文宏 (1981-,男 , 江西玉山人 , 工程师 , 硕士研究生 , 毕业 于浙江工业大学化材学院 , 现从事安全工程和化工过程安全的研究 工作 。0前言在石油 、 化工 、 天然气 、 染料等行业中使用的危 险物质中 , 包括各种类型的有毒有害气

3、体 , 如果在 生产 、 储存和运输的过程中由于人为失误或其它原 因 , 导致这些物质泄漏出来 , 就有可能对周围环境 、 人员 、 设备造成巨大的破坏和损失 。 大多数的有毒 有害气体物质的意外泄漏在地面附近形 成了低动 量的连续释放源或拟瞬时源 , 由于泄漏物质的分子 量比空气的大 (如氯气 , 较低的环境温度 (如 LNG , 较高的储存压力 (如氨气泄漏形成的烟雾 , 化学转 变 (如氟化氢的聚合 等原因形成了比空气重的气 云 , 我们称为重质气体 , 简称重气 (heavy gas 1-2。 一 方面 , 重质气体由于自身重力的缘故 , 泄漏后的扩 散横向污染距离大 , 气云高度低

4、, 高浓度持续时间 长 , 短时间内污染程度剧烈 , 易造成极为严重的危 害 , 另一方面 , 重气扩散又有其自身特殊的规律 , 所 以对重气扩散的过程进行数学模拟和建模研究对 预防事故和应急救援工作有着极为重要的意义 。国外对重气 模型的研究 开始于 20世 纪 70年代 , 近几年随着各类恶性重气泄漏事故的不断发生 , 该领域的研究工作日益活跃 , 目前 , 国外已经开发 出大量重气扩散的计算模型 , 20世纪 80年代初期Blackmore 等 3、 Wheatly &Webber 4对 重 气 扩 散 模 型进行了较为全面的综述 , 1996年 , Hanna &Dri

5、vas 5在 气云扩散模型指南中做了详细的探讨 , 但它主要涉 及了其中的箱模型 , 2000年 , 北京化工大学的张政 教授和中国安科院吴宗之研究员等 6对各类已开发 的重气扩散模型进行了比较全面的评价 , 此后国内 外陆续又开发出大量的重气扩散数学模型 。 本文主 要综述了各类重气扩散模型的基本原理 、 模拟方法 、 优缺点 , 以及对近几年重气泄漏扩散模型的发展提 出了一些见解 。1重气泄漏扩散模型目前重气泄漏扩散模型一般分为三类 :唯象模 型 、 工程模型 、 三维传递现象模型1。 工程模型中又分为箱模型 、 相似模型 、 浅层模型等 。1.1唯象模型 (Empirical Model

6、 该类模型由 一系列重气 连续排放和 瞬间泄放 的 试 验 数 据 绘 制 的 计 算 图 表 组 成 , Britter 和 Mc-Quaid 收集了许多重气扩散的实验室和现场实验研究的结果 , 以无因次的形式将数据连线并绘制成与 数据匹配的曲线或列线图 , 这些关系式 (BM 模型 2009年第 40卷第 7期 浙 江 化 工 能够较好地用于重气瞬时或连续释放的地面面 源 或体源 7-8的模拟扩散 , 德国的 VDI 曲线模型采用了 与 BM 模型类似的处理方法 9。但是该类模型只能当作基准的筛选模型 , 而不 能适用于其导出范围之外的情形 , 比如城市或工业 区等地表粗糙度大的地方 。

7、近几年 , 由于对计算精 度和模拟的准确性的要求日益增加 , 该类模型已逐 渐被各类工程模型和计算机模型替代 。1.2工程模型 (EngineeringModel1.2.1箱模型 (Box Model 和相似模型1970年 , Van Ulden 在一次重气云实验中发现 重气气云侧向扩散参数要比中性气云大 4倍 , 而垂 直方向扩散参数只有中性气云的 1/4, 这种趋势称 为重力沉降 。 为了模拟这种现象 ,Van Ulden 提出了 箱模型的概念 , 他将重气云团当作一个初始体积为 Vio , 初始高度为 H , 初始底半径为 R 的一个圆柱形 箱 10, 该模型用来描述瞬间泄漏形成的重气云

8、团的 运动 。 该模型的特点就是假定浓度 、 温度和其他场 在某些空间范围内的场分布是均匀的 , 而其他空间 这些参数均为零 。 该类模型只能预报气云的总体特 征 , 如平均半径 、 平均高度 、 平均气云温度 , 而不考 虑其在空间上的细节特征 。箱模型的基本方程 1-2,5包括 :气云的径向扩展速度 :(1.1 空气夹带速率方程 :(1.2能量守恒方程 :(1.3这 里 R 、 H 、 M 、 h c 、 c 分 别 表 示 单 位 质 量 重 气 气 云的半径 、 高度 、 质量 、 热焓和密度 ; a 、 M a 、 h a 分别表 示环境空气的密度 、 质量和热焓 ; u t 为气云

9、的径向扩 展速度 ; u e 和 u t 分别为周边空气卷吸速度和顶部空 气卷吸速度 ; E f 为地面的导热通量 。周边空气卷吸速度 :(1.4; 这里 , c 2取值并不确定 , 不同的模型开发者有不 同的取值 , 一般在 0.60.9之间 2。顶部空气卷吸速度 u t 是 Ri 的函数 , Ri 为气云 的 Richardson 数 。当重气气云被周边空气稀疏到一定程度以后 , 气云的浓度分布开始趋向于高斯分布 , 该转变的依 据一般为重气的相对密度低于某个标准 (比如 0.01 以后重气效应消失 , 转变后大多数箱模型转为高斯 烟羽或烟团模型 , 对于转变后的扩散采用虚源技术 衔接 ,

10、 即假设在转变点的逆风向上方存在一个虚拟 源 。除了瞬间释放外 , 为了模拟持续时间比较长的 泄漏扩散过程 , 许多模型开发者在箱模型的基础上 进 行 了 拓 展 。 如 DENZEDF 模 型 (Kaiser,Walker, 1978 11和 CRUNCH 模 型 (Jagger , 1979 12, 他 们 假 定烟流截面为矩形 (高为 H , 宽为 2L , 并将半径和 高度随时间变化的微分方程改为半宽和高度随下 风距离变化的方程 , 因而径向重力扩展速度变成了 侧向重力扩展速度 , 而卷吸速度是同样的 。 SOURE 模 型 (Delvosalle,1994 13、 GASTAR 模型

11、 (Britte,1990 14、 T Heavy Gas 模型 (Mohan,1995 15等以箱模型 为基础 , 采用数值积分的方法可以分别计算瞬间和 连续释放的重气扩散情形 。通常箱模型 均假设泄漏 是在平坦地 面上发生 的 , 而近几年来也有少数模型是假设泄漏发生在斜 坡和障碍物上 (Webber , 1993; Kumar , 2003; Nielsen , 1994 16-18。而 相 似 模 型 主 要 是 针 对 HEGADAS 以 及 对 HEGADAS 为基础开发的一系列模型而言的 。 该类 模型是对箱模型的进一步扩展 。 相似模型对气云微 元就动量平衡 、 质量平衡 、

12、能量平衡进行分析 , 分别 列出相应的 x 、 y 、 z 方向动量守恒 、 质量守恒等控制 方程 。 经过质量和能量交换后 , 气云逐步转化为湍 流扩散 , 最终表现为一个纯粹的高斯分布 19。 1977年 Te Riele 开发了稳态条件下源释放的地面烟羽浓 度 数 值 模 型 20, 壳 牌 公 司 在 此 基 础 上 开 发 了 HGSYSTEM 系 统 软 件 包 , 包 括 HEGABOX 21和 HEGADAS 模 型 (Heavy Gas Dispersion From Area Sources Model 22, HEGADAS 模型既 有处理 稳 态 连 续释放的定常态版本

13、 , 也有预报来自 LNG 液池蒸发 在中等或高风下扩散的瞬间版本 。 另外 , DEGADIS 模型 23是在 HEGADAS 模型基础上作的改进 。 然而箱模型 和相似模型 的前提假设 终究是理 想化的 , 它必须假设速度和浓度的自相似分布 , 并 且通常涉及不连续的界面 , 因而在模拟一些特殊的 扩散过程时具有很大的不确定性 , 尤其并不适于复 杂地形条件下的模拟 。 但是箱模型和相似模型具有 概念清晰的特点 , 求解方便 , 计算量相对较小 , 就非 复杂条件下的扩散预测结果和实验结果的 一致性 而言 , 并不比复杂的三维模型差 。 因此 , 该类模型在Vol. 40No. 7(200

14、9 ZHEJIANG CHEMICAL INDUSTRY重气泄漏扩散的危险评价得到了广泛的应用 , 其结 果已成为应急咨询和安全设计的重要依据之一 。 1.2.2浅层模型 (Shallow Layer Model 箱模型方法比较常用 , 简单 、 易于运行 , 并且特 别适合于危险评价 。 然而 , 方法的简单性也就意味 着某些模型假定的不适宜性 。 而三维传递现象模拟 方法需要大量的计算机时 (见 1.3, 在工 程应用中 受到很大限制 。 因此需要一种折中的方法 , 即对重 气扩散的控制方程加以简化来描述其物理过程 。 由 于垂直方向上重气的抑制作用以及近似均一的速 度 , 由此想到可以采

15、用浅水方程 , 这就是重气扩散 浅层模型 , 它是基于浅层理论 (浅水近似 推广得到 的 6。浅 层 理 论 常 用 于 非 互 溶 的 流 体 中 , Wheatley &Webber 4对 带 卷 吸 和 热 量 传 递 的 浅 层 模 型进行了推导 。 Zeman 早在 1982年就推荐采用浅层 模型 24, 后来由 Ermak 等发展为 SLAB 模型 25, 模型 求解质量 、 组分 、 下风动量 、 侧风动量和能量的侧风 平均守恒方程 , 以及气云宽度方程和理想气体状态 方程 , 依次是以下风距离为独立变量的一维模型 。 由于模型也需计算气云的宽度和高度 , 在某种意义 上

16、说 , 它是拟三维的 。 侧风浓度分布应用相似分布 确定 , 气云与环境大气的混合运用卷吸概念处理 。 该模型已用各种尺度的实验进行了验证 , 并在继续 对卷吸模型进行改进 。 Wurtz 等开发了一维和二维 两种浅层 模 型 (DISPLAY Model 2627, 运 用 于 不同复杂程度的泄漏情形 。 Hankin &Britter 2829开发 的 TWODEE 模型也是一种应用较为广泛的二维浅 层模型 。1.3三 维 传 递 现 象 模 型 (Computational Fluid Dynamic model 该模型采用计算流体力学 (Computational Fluid

17、Dynamic 的方法 , 模拟重气扩散的三维非定常态湍 流流动过程 , 它在流体力学中的基本方程 Navier-Stokse 质量守恒方程的基础上 , 针对流体在各种复 杂条件下的真实流动过程 , 建立质量 、 动量 、 能量及 组分等守恒方程 , 结合一些初始和边界条件 , 加上 数值计算理论和方法 , 从而实现预报真实过程中各 种场的分布 , 如流场 、 温度场 、 浓度场等 , 以达到对 扩散过程的详细描述 。 这种方法克服了箱模型和相 似模型中辨识和模拟重气下沉 、 空气卷吸 、 气云受 热等物理效应时遇到的诸多问题 , 而且在原理上 , 该类模型具有可以模拟各种复杂地形条件的能力

18、6。 而且一些三维传递现象模型甚至还包括了浓度波 动模型 。通常湍流流动的数值模拟用的是 K 理论模型 或 K-封 闭 模 型 , 也 有 人 采 用 K-、 K-, SST 和 SSG 等 。 由于三维传递现象模型求解非常复杂 , 有时 需要运用流体静力学 、 滞流力学和 Boussinesq 近似 来简化方程 , 而求解中也经常用到有限差图解法 、 有限元数值理论和有限空间理论 1。下面以 FEM3模型 (3-D Finite Element Model 为例 , 简要说明三维传递现象模型的基本原理和模 拟方法 。FEM3模型的主要公式如下 30:(1.5 (1.6 (1.7 (1.8(1

19、.9该模型采用三维有限元数值解法求解 。 式 (1.5 (1.9依次为质量连续方程 、 动量守恒方程 、 能量守 恒方程 、 泄漏重气物质的质量守恒方程和理想气体 状态方程 。 式中 :U 为气体运动速度 , R 是气体摩尔 常数 , T 是温度 , K T 、 K M 、 Kw 分别为温度 、 速度 、 浓度 的扩散系数 , w 是扩散质浓度 , 为气体云密度 , M N 、 M A 分别为扩散质和空气的分子量 , C P 、 C PN 、 C PA 分别 为混合气体 、 扩散质气体和空气的比热 。FEM 3模型所用的湍流扩散模 型是 K 理论 , 是 一种局部平衡模型 , 并假设 K T

20、=KM ,竖直方向扩散参数为 :(1.10 水平方向扩散参数为 :(1.11采用计算流 体力学的方 法模拟重气 扩散的三 维湍流流动过程的优点是 , 它能更好的描述重气在 大气湍流运动中的物理现象 , 更本质的反映实际流 动中浓度场 , 流场变化规律 。 但缺点是模拟方法复 杂 , 在多数情况下方程是不可解的 , 多需要的输入 数据通常不可得到 。 为简化计算 , 常急用稳态假设 经验数据封闭方程组 , 但数值计算较为困难 , 要花 费大量的计算机时 , 很难适用于应急救援的现实工2009年第 40卷第 7期 浙 江 化 工 作中 。2小结目前 , 用于模拟重气扩散的数学模型非常多 , 主要包

21、括唯象模型 、 工程模型 、 三维传递现象模型 。 唯象模型和工程模型由于使用方便 、 概念清晰且计 算量较小 , 主要用于风险评估和环境评估系统 , 是 应急咨询和安全设计的重要工具 。 而三维传递现象 模型能够更好地描述重气在大气湍流运动中的物 理现象 , 具有广泛的通用性 , 对于有障碍物或明显 地形变化的复杂扩散过程更为可靠 。 但是模拟方法 比较复杂 , 有关数值计算较为困难 , 要花费大量的 计算机时 , 目前主要用于事故分析和后果模拟等科 研领域 , 但随着计算机性能的不断提高 , 该类模型 是今后重气模型的主要发展方向 。在过去几年中 , 重气扩散过程数学模拟的研究 发展迅速

22、。 研究人员的努力使该领域取得了一系列 令人瞩目的成就 , 但其中仍然有许多问题和现象需 要解决和改进 , 主要包括 :(1 低风速 、 复杂地形下 伴有化学反应的稳态和非稳态重气扩散模 型的研 究 ;(2 多组分和多相重气扩散模型的研究 ;(3 自 然环境对重气扩散的影响 , 如湿度 、 太阳热辐射等 ; (4 对重气在倾斜表面的扩散 , 应考虑重气的 逆风 扩散问题 。参考文献 :1Markiewicz M . Mathematical Modeling of the Heavy Gas Dispersion. Models and Techniques for Health and En

23、vironmental Hazard Assessment and Management M.New York,2005:281-283.2Britter R. Recent research on the dispersion of hazardous materials. Report, University of Cambridge, ECEUR 18198EN, Brussels, Belgium.3Blackmore D R, Herman M N, Woodward J L. Heavy gas dispersion modelsJ.Journal of Hazardous Mat

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25、Edition , New York :Center for Chemical Process Safety , AIChE, 1996.6胡世明 , 张政 , 魏利军 , 等 . 危险物质意外泄漏的重气 扩散数学模拟 (1,2J.劳动保护科学技术 ,2000,20(2:31-38. 7王文娟 , 刘剑锋 , 危险性气体泄漏扩散数字模拟研究 J.工业安全与环保 , 2006(11:23-25.8Britter R E, McQuaid J . Workbook on the dispersion of dense gases R.HSE Contract Research Report ,19

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33、CHEMICAL INDUSTRY A Review of the Heavy Gas Dispersion Mathematical ModelsHUANG Wen-hong 1, ZHANG Bao-dong 1, BAO Qi-fu 1, ZHU Jian-xin 2(1.Zhejiang Key Lab of Safety Engineering &Technical Study,Hangzhou 310014,China; 2. Zhejinag University ofTechnology, Hangzhou 310014, ChinaAbstract:Three kin

34、ds of heavy gas dispersion model, such as empirical model, engineering model and computational fluid dynamic model are simply generalized and evaluated. Empirical model and engineering model are always used in safety design and emergency response system for their convenience and less account times.

35、The computational fluid dynamic model have better result in complex terrain and weather. At the end, it is showed that researches of heavy gas dispersion model will focus on multi -component heavy gas dispersion in complex terrain and weather.Key words:heavy gas; dispersion; mathematical modellevel heavy-gas dispersion -I. Steady-statemodel, II. Time-dependentmodel J.Atmospheric Environment, 1994,28(18:2917-2946.23Spicer T O, Havens J A. Development of a heavier-than -air dispersion model for the U.S. coast guard hazard assessment com