危险化学品泄漏危害区域的数值模拟方法研究

1、第卷第期年月安全与环境季报，文章编号：危险化学品泄漏危害区域的数值模拟方法研究张禹海，李程，杨玉胜（中国人民武装警察部队学院研究生二队，河北廊坊；中国人民武装警察部队学院消防指挥系，河北廊坊）摘要：总结现有危险化学品泄漏扩散机理，在此基础上用开发可视化的危险化学品泄漏扩散模拟软件。该软件能够根据事故情景用图形的方式给出事故不同程度的危害范围。并且可依据不同风向和扩散范围改变模拟图的方向和大小以达到自适应目的。同时对所编制软件进行数值验证和与比较验证。关蹙词：安全工程；安全模拟与安全仿真学；数值模拟；危险化学品；泄漏；大气扩散：酬中圈分类号：文献标识码：引言危险化学品泄漏事故。研究的重要内容之一

2、就是研究危险化学品泄漏扩散的危害区域。关于易燃、易爆、有毒危险化学品的？漏扩散模拟软件开发，国内外学者做了大量的工作，如、化学品泄漏扩散仿真软件等。我国对泄漏扩散及其重大事故后果仿真研究始于世纪年代初。“八五”期间，化工部劳保所承担了国家攻关课题，进行了泄漏扩散模型研究，提出了模型，开发厂漏危害分析的仿真软件【。公安部消防局也组织研发了化学灾害事故处氍辅助决策系统。本文编制的软件考虑风向对危险化学品扩散的影响，用可视化方法显示风向对扩散分布区域的影响。理论模型连续液体泄漏如果泄漏孔在储存容器的液位以下，泄漏速率取决于容器内部的压力、液压头以及孔的大小。液体泄漏可以根据流体力学中的伯努利方程来计

3、算。泄漏速率（晷），即单位时间内液体泄漏量的计算公式为：却，、（）（），式中为无量纲泄漏系数，当裂口形状为圆形时取，三角形时取，长方形时取；为液体密度。；为泄漏孔面积，；为设备内物质的压强。；为大气压力，；为引力常数，；为裂口之上液位高度，。液体的蒸发若泄漏的是过热液体，即液体沸点低于周围环境温度时，收稿日期：作者简介：张禹海，硕十研究生，从事消防指挥模拟研究；杨玉胜（通信作者），教授博士，从事消肪指挥抢救救援研究，黝，口万方数据则泄漏后一部分液体将立即闪蒸为蒸汽。闪蒸后形成的蒸汽在空中形成蒸汽云。泄漏时直接蒸发的液体所占百分比，可按下式计算】。一！二型日”式中。为液体的定压比热容，（）；为泄

4、漏前液体的温度，；为液体在常压下的沸点，；日为液体的蒸发热，。气体的扩散对于泄漏气体的密度与空气接近或经很短时间稀释后密度即与空气接近的情况，可以用非重气云模型。高斯模型是描述非重气云扩散行为的典型模型，可以模拟连续性泄漏和瞬时泄漏两种泄漏方式，并且模型简单，易于理解，运算量小，试验数据多，计算结果与试验值能较好吻合，因此应用广泛。甚至在重气泄漏场合，考虑到重力作用影响时问较短，也可以直接采用高斯模型【，。根据高斯模型，连续泄漏可以用高斯云羽模型描述（平均时间取）。设风速为，以风速方向为轴的空间任意一点（茹，）处在时刻的质量浓度为【（，“）品唧舌舌（）式中（，：）为空间坐标系中一点（，）处的质

5、量浓度，；口为液体蒸发后泄漏源强度，；为环境风速，；口。、吼为大气扩散参数。大气扩散系数以、以与大气稳定度有关。大气稳定度是按照的分类方法，分为、和等类，其中、和为不稳定条件（表示极不稳定表示中等程度不稳定，表示弱不稳定），和为稳定条件（表示弱稳定，表示中等程度稳定），为中性条件。大气稳定度级别划分见表，照强度见表，大气扩散系数见表，。评价中毒事故的后果标准应急响应指南（）专门为应急反应而编制【】。目前很多发达国家及其企业参照来确定化学品的危害浓度。考虑到这一点，表大气稳定度级别划分衰地面风速（距白天太阳辐射地面高处）阴天白天有云的夜晚或夜晚（“）强中弱薄云遮天或云量低云天空云层情况日照角。日

6、照角。日照角且。且。安全与环境学报第卷第期本文编制的软件也是根据应急响应指南来确定物质泄话后的扩散危害范围。软件的算法软件算法逻辑流程模拟软件的开发软件的结构危险化学品泄耩扩散模拟软件的算法逻辑流程见图。）软件会对用户输入的时间进行判断，得出日照角属于哪一范围，再同输入的当天云层情况参数一起，利用表分析可以得出该时刻下的太阳辐射强度。根据所得太阳辐射强度和输入的天气、风速参数，利用表分析可以得出大气稳定度。由所得大气稳定度，利用表分析软件可以确定出此刻本文开发的危险化学品泄漏扩散模拟软件是由个工程文件、个窗体文件、个标准模块文件组成，该主程序包括系统参数输入窗体、参数浏览窗体、泄漏事故后现场扩

7、散模拟窗体。程序流程见图。系统参数输入界面见图。的气体扩散系数。）软件会对输人的泄漏液态物质、裂孔形状、泄漏源高度、容器内部压强参数进行综合分析，根据连续液体泄漏模型（），可以确定其液体的泄漏速率。根据所得液体泄漏速率、屯“口。和“裹大气扩散系数的定此刻环境温度参数、该物质的各种理化性质参数，利用液体蒸发模型（）计算，可得该物质蒸发后的气体泄耦速率。大气稳定度极不稳定（不稳定弱不稳定中性（）在得到气体扩散系数和气体泄漏速率的情况下，利用高斯扩散模型（）可以得到此刻空间内任一点的泄漏物质浓度。通过所得的泄漏物质浓度与该物质的值对比即可确定该泄漏物质的危害区域范围。风向对泄撬扩散区域影响问题的算法

8、，）“（）（】）一（）（，）弱稳定稳定（）一（，）。“（）在计算危险化学品泄漏扩散浓度时，首先要在空间建立坐标系。为了画图方便和便于计算，选用的坐标系是地理坐危险化学品泄漏大气扩散模拟软件标系，即向东为轴正方向，向北为轴正方向，见图。日目痢匦用户界面围程序藏程“一一，广岬渭。一。一一”一、口，一一硝田输入参数主界面扯田算法逻辑藏程粤耐万方数据年月张禹海，等：危险化学品泄漏危害区域的数值模拟方法研究这种坐标系对于向东扩散的气体能够直接计算，而对于度值小于等于该物质的值，即可确定其自适应系其他扩散方向（方向角）的计算则非常不便。这是由于在敷”及作图区域，见图。气体扩散的计算公式巾，坐标轴是沿风速传

9、播方向建立的。扩散区域显示见图，其自适应系数为说明此时计算为了能够在同一坐标系中计算不同方向的气体扩散需要进区域改变为。这样就很好地解央了显示区行坐标变换，以使得任意一点的坐标（，）都能以风速方向域的限制问题。为坐标轴的坐标（，。），见图。坐标变换公式如下。软件的验证危险化学品泄漏扩散横拟软件做出的模拟囝、确定的边一目目峭口：。界范围需要与理论模型和巳经成功运用于实际的软件相比使用这种坐标变换对不同方向的风速都可以在同一种地较，才能确定其结果的正确性。从实际数值计算和与理坐标系下进行计算。并且在坐标变换后若：（则该点相比两方面进行验证。在其扩散方向的后方，毒物的质量浓度为，可以不必计算，首先预

10、设一事故情景。泄漏物质为液氨；卧式储罐内压见图此时软件模拟事故情景的风向参数为西南风。强肝（连续泄漏情况）；泄隔源高度；泄漏孔为圆泄漏扩散区域超出显示区域问题的算法形，半径约；发生日期为年月日时分；气本文编制软件的计算区域划分为的网格，象情况为西风风速；环境温度为，湿度为；云即呻个网格。如果一个网格代表。那么计算区域层商覆盖率低。为。经软件模拟可知该事故情景下重度危害范围为，中在实际事故情景中，如果泄漏孔面积过大、容器内部压强度危害范围为，轻度危害范围为，见圈。过大、风速过大很容易使泄精扩散区域超出屏幕中的显示区数值验证域见图。针对这种问题，本文在软件中引入了“自适应系随机取，；，；，数”这一

11、概念即屏幕显示区域可以随实际情况自动改变计算，这个点在上面事故情景模拟中分别位于重度、中度、网桔所代表的大小来满足泄漏扩散区域的昆示。轻度范围内，因此理论上这个点的手工数值计算质量浓度算法为若屏幕区域的边界点哪田的计算浓值应与软件计算质量浓度值大致相同。并且应分别大干氨气度值大于该物质的（轻度危害区域边界浓度值）值的“应急响应指南”一（重度危害区域边界质量浓度时，“自适应系数”自动加，则屏幕区域横向距离和纵向距离值）、一（中度危害区域边界质量浓度值）、一。分扩大倍此时再计算别进行数值验证，见表。这点的浓度值再茸一加以比较直到沿轴方向边界点的计算质量浓飞一名。匝坐标系与坐标变换圈自适应系数的算法

12、流程电茁叫帆啪越舢吲啊嘲峋山甲瞌他伽蝴瞳枷柚州蚺山丐广三：。到三固扩散区域显示自适应系数为。风向为西南风围扩散区域豆示自适应系数为，风向为西南风】肼叩哪如蝴（耗肼币睇如蚰蚯硪缸）一一事，删万方数据妻套与蒜境晕鬟第卷第期圈敦件蕞撒馕设故图对预设情景模拟画，啦蜘妞衰手工鼓值譬证，：陆叫啪柚性曲，矿一一腿删瓯赡雎陀一帅鸺舯”从表数据分析得出，该事故情景下危险化学品泄精扩散模拟软件的数值计算质量浓度与宴际手工数值计算质量浓度基本一致，且个点的实际数值计算质量浓度分别大于对应危害区域的氨气值证明该软件的数值计算是可靠的。圈啦哪哪心幽咖（，靳，对点蛐的氯气琅鹰模挂本软件与姒比较（胛丝伽畸袖，有害大气寰两种

13、软件模拟扩散危鲁范圈结果对比空中定位软件）是美国环保署（）和美国海洋和大气管理岫喇山即日如山群啊咿办公室（从）联合开发的系列软件之一，可以用来计算危险化学品池精后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。按照预醴事故情景在软件中设置备项输人项参数。运用高斯扩散模型模拟可知该事故情景下重度危害范围为中度危害范围为呻捌，轻度危害范围为，寰两种软件对所职个点的氨气质堆麈簟幂对比，。；，；。吐订竹删哪，岫锄吐。瞄这个点的氨气体积分数分别为。和，见。模拟结果经单位换算后与危险化学品泄漏扩散模拟软件模拟结果对比见表。从两种软件模拟的结果对比分析可知，扩赦危害范围的相对误差在以下所取个点的氯气质

14、量浓度相对误差在以下。造成误差的原因是本文所编制软件与对液氨的理化性质取值存在误差，进而导致其泄搪速率不同；此外大气稳定度取值本身存在误差是另一原因。根据理论数值计算和与的对比分析可知本文绾制的软件的结果是可靠的。结论应用计算机手段能够直观明晰地描述出泄漏危险化学品的扩散危害范围且能够快速实现用传统方法模拟时复杂繁琐的数学计算，它可以用来预测在不同气象、地物条件下危险化学品旦泄漏后可能出现的后果，计算泄漏危及区域和下风向物质浓度的大体分布情况。如，酽。“酽考立：哪雌（宇蓓明）胁肿，唧妇，妇叫衄由瑚曲删咖曲酽即舢白“严钟倒。，“弹越删州（易燃、易爆、有毒危障品储运过程定址风险评价）删沁：吨咖矾【

15、】曲咖（国内外危险化掌品典型事故寨倒分析）鸭：旭叫蛐恤砖瞄撕峰删羹晶光）舶如幽如幽哪胁眦耐抽脚一呻（扬玉胜），则“昊宗之），舶（任彦斌），仰删坤寸畔咖锄甜山灿血惮挑丑帅山哼“雌】厶蛐（吴宗之），蛐胁（中国安全生产辩学技术），啉（）：；畔（高进东）心帅（魏利万方数据第卷第期年月安全与环境学报，军）口眦（危险评价方法及其应用）：【文章编号：），：，出国“煤层底板采动应力效应及其力学作用机制研究高召宁一，孟祥瑞，李英明（安徽理二大学矿业工程博士后流动站，安徽淮南；煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南）摘要：煤层底板突水的实质是采动应力诱发底板岩体变形破坏。引发煤层底板突水。掌握底板岩层

16、的破坏规律是承压水体上安全开采的首要问题。根据开采过程中回采工作面前后方支承压力分布规律，（靳江红），（赵寿堂），（胡纷）（安令），（）：，：黯，（）：【，（）：利用弹性力学理论，建立了煤层底板应力计算模型，分析了随着回采工作面推进煤层底板沿深度方向的最大主应力和最小主应力分布规律与底板剪切破坏形式。运用丁程中常用的奠尔库伦准则，提出了煤层底板岩体的破坏判据。煤层底板的破坏易从回采工作面附近开始，向回采工作面后方采李区由浅而深发展，破断面譬抛物状弧面。应用。，（，直流电阻率法技术，在淮北孙瞳煤矿工作面风巷中煤层底板位置施工个钻孔，在孔中埋置一定数量电极，形成孔间探测剖面，对煤层底板采动裂隙演化

17、过程中的岩层电阻率响应特征和工作面，；，）底板破坏深度进行了动态综合探测。探测结果表明：工作面煤层底板在支承压力和底板承压水水压共同作用下，煤层底板的破坏范：”围在；在此范围内煤层底板岩层中垂向裂隙和层向裂隙发育明显，超过后底板岩层受采动影响较小，底板最大破坏深度约。通过直流电阻率法技术现场实测验证了理论分析是正确的和可行的。：，关毽词：采矿工程；应力分布；底板破坏；直流电法；动态探测中圈分类号：文献标识码：油引言，矿山压力是影响煤层底板突水的重要因素，是底板破坏，的力源，了解煤层底板的应力分布是研究煤层底板破坏的重要前提，有利于加深对承压水上开采突水机理的认识【。近年来，越来越多的人采用弹性理论的知识，求解煤层底板的，。，应力分布。朱术云等、孟祥瑞等【引、彭苏萍等【采用弹性半平面体力学模型给出了采场底板岩层应力的解析解。但是朱术云等、孟祥瑞等没有考虑采空区支承压力分布对煤层底板的作用；彭苏萍等把作