危险性气体扩散数值模型与试验研究综述

危险性气体扩散数值模型与试验研究综述

在化工、石油、化工、其他行业中，有许多有害药物，如易分解和有毒气体和液体（如液化气石油气、氨、氯、硫等）。如果在生产、运输过程中发生错误或其他原因，这些危险物质将导致巨大的环境影响。由于可燃或毒性物质泄漏造成惨重损失的报道在国内外屡见不鲜。为了预防此类事故的发生并为事故发生后提供积极补救措施,对危险性气体的扩散作深入的研究是很有必要。国内关于危险性气体在大气中扩散的研究报导较少。国外在这方面的研究工作始于七、八十年代,直到现在该领域的研究还比较活跃。在此期间,提出了不少扩散的计算模型,同时也进行了许多大规模试验。本文主要对气体扩散的数值模型与试验作以介绍。1计算值的模型1.1烟羽模型初创期主要适用于自然不干该模型适用于点源的扩散,早在五、六十年代就已被应用。它是从统计方法入手,考察扩散质的浓度分布。plumemodel(烟羽模型)适用于连续源的扩散,puffmodel(烟团模型)适用于短时间泄漏的扩散(即泄放时间相对于扩散时间比较短的情形,如突发性泄放等)。烟羽模型的假设如下:1)定常态,即所有的变量不随时间变化;2)适用于密度与空气相差不多的气体的扩散(不考虑重力或浮力的作用),且在扩散过程中不发生化学反应;3)扩散气体的性质与空气相同;4)扩散质达到地面时,完全反射,没有任何吸收;5)在下风向上的湍流扩散相对于移流相可忽略不计,这意味着该模型只适用于平均风速不小于1m/s的情形;6)坐标系的x轴与流动方向重合,横向速度分量V、垂直速度分量W均为0;7)假定地面水平。烟羽模型的浓度分布算式为式中,C为扩散质的浓度(以百分数表示的体积分数);Q为源的泄放速率,m3/s;H为有效源高,m;x、y、z是该点坐标,m;σy,σz分别是横风向和竖直方向的扩散系数(高斯分布的标准方差),m。尽管诸多假设使烟羽模型的使用受到了限制,但该模型仍被广泛应用,主要用于烟囱排烟的计算上。究其原因有以下几点:1)该模型提出较早,试验数据多,较为成熟;2)模型简单,易于理解,计算方便;3)计算结果与试验值能较好吻合。烟羽模型只适用于连续源或泄放时间大于或等于扩散时间的扩散,如果要研究瞬时泄放(泄放时间小于扩散时间),如容器突然爆炸导致其内部介质瞬时泄放出来的情况,就应用修改的烟团模型。若假设气体云内空间上的浓度为高斯分布。则地面处下风向的烟团模型浓度分布算式为C(x,y,u,H)=2M(2π)32σzσh2e−12[(x−ut)2+y2σh2+H2σz2](2)C(x,y,u,Η)=2Μ(2π)32σzσh2e-12[(x-ut)2+y2σh2+Η2σz2](2)式中:σh为水平方向上的扩散系数(在水平方向上被认为是各向同性的),m;M为气体或污染物的泄放总量,m3;其它符号意义同式(1)。高斯羽烟模型及烟团模型未考虑重力影响,所以只适用于轻气体或与空气密度相差不多的气体的扩散。虽然高斯模型存在许多缺点,但目前美国环境保护协会EPA所采用的许多标准仍以高斯模型为基础而制定,并在广泛应用着。1.2britter和mcquaid计算表的形成该模型由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的试验数据绘制成的计算图表组成。后来Hanna等人对其进行了无因次处理并拟合成解析公式,发现能与Britter和McQuaid绘制的试验曲线吻合得较好。该模型具有简单易用的特点。1.3气体扩散参数该模式是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散问题的。其浓度分布的计算公式为C(x,y,z)=Qe−y2Cy2x2−nπCyCzu[e−(z−h)2Cz2x2−n+e−(z+h)2Cz2x2−n](3)C(x,y,z)=Qe-y2Cy2x2-nπCyCzu[e-(z-h)2Cz2x2-n+e-(z+h)2Cz2x2-n](3)式中:C为气体浓度(以百分数表示的体积分数);Q为气体泄放速率,m3/s;u为风速,m/s;h为气体泄源高度,m;x为下风向距离,m;y为横风向距离,m;z为垂直高度,m;n,Cy,Cz为与气象条件有关的扩散参数(n无量钢,Cy和Cz的单位为m)。Sutton模型在模拟可燃气体泄放扩散时,会产生较大误差,可与试验值相差1倍以上。1.4模型的计算公式FEM3(3-DFiniteElementModel)模型是3维有限元计算模型。该模型的原型是1979年提出的,最初是为了模拟LNG(液化天然气)的突发性泄放,用该模型对LNG的泄放进行了系列模拟,获得了较好的结果。近几年随着模型的不断完善,已可处理毒气及可燃性气体等许多重气体的扩散。对4种液化丙烷的扩散进行模拟结果还能反映出重气扩散的趋势,只是有时计算结果与试验值会相差好几倍。模型所用有限元解法系由伽辽金(Galerkin)法改进而来,主要可解不定常的连续性方程、动量方程、热量方程、扩散方程以及理想气体状态方程,它用K理论(梯度输运理论)来处理湍流问题。近几年该模型的发展较快,可处理复杂地形条件下的扩散,如建筑物附近的扩散,其缺点是求解特别困难。FME3模型适于处理连续源泄放及有限时间内的泄放。在处理瞬时源的泄放时,应对原模型作些修改。FEM3模型的主要计算公式如下:∂(ρU)∂t+ρU∇U+∇(ρKm∇U)+(ρ−ρh)g(4)∇(ρU)=0(5)∂T∂t+U∇T=1ρCp∇(ρCpKT∇T)+CPA−CPNCP(KT∇T)∇T(6)∂ω∂t+U∇ω=1ρ(ρKω⋅∇ω)(7)ρ=PMRT=PRT(ωMN+MA)(8)∂(ρU)∂t+ρU∇U+∇(ρΚm∇U)+(ρ-ρh)g(4)∇(ρU)=0(5)∂Τ∂t+U∇Τ=1ρCp∇(ρCpΚΤ∇Τ)+CΡA-CΡΝCΡ(ΚΤ∇Τ)∇Τ(6)∂ω∂t+U∇ω=1ρ(ρΚω⋅∇ω)(7)ρ=ΡΜRΤ=ΡRΤ(ωΜΝ+ΜA)(8)式中:U为气体速度,m/s;R为通用气体常数,kg/(kmol·k);P为扩散压力,N/m2;M为混合气体分子质量,kg/kmol;T为混合气体温度,K;KT,Km,Kω分别为温度,速度,浓度的扩散系数,m/s;ω为扩散质浓度(以百分数表示的体积分数);ρ为气体云密度,Kg/m3,MN,MA分别为扩散气体及空气的分子质量,kg/kmol;g为重力加速度,m/s2;CP,CPN,CPA分别为混合气、纯扩散气体及空气的比热,J/(Kg·k);ρh为静止空气密度,kg/m3;t为时间,s。式(4)是动量守恒方程,它与一般的N-S方程相比多了等式右边的最后一项,该项的意义是由于浮力而引起的速度变化;式(5)是连续性方程;式(6)是热平衡方程,等式右端第一项是由于热传递而引起的温度变化,第二项是由于气体扩散传质而引起的温度变化;式(7)是扩散的质量平衡方程;式(8)是理想气体状态方程。由于气体扩散与温度分布、速度分布有关,而速度与温度的变化又影响浓度,同时浓度的变化又反过来影响温度和速度,因此在方程的求解中需要进行迭代计算。FEM3模型处理湍流问题时,需用梯度输运理论和混合长理论(简称为K理论),该理论是一种局部平衡理论。Koopman(1986年)指出,当所研究的问题与环境的湍流混合长相接近时,K理论是比较适合的,K理论的另一个特点是比较简单。假设Kω=KT,竖直方向扩散系数的算式为Kv=κ[(u∗z)2+(w∗h)2]12Φ(9)Κv=κ[(u*z)2+(w*h)2]12Φ(9)式中:κ为冯卡曼常数,其值为0.4;u*为摩擦速度,m/s;w*为体云内部的“对流速度”,m/s,h为气体云的高度参数,m;z为高度,m;Φ为Monin-Obuknhov函数,具体表达式见文献。水平方向的扩散系数算式为Kh=βκu*z/Φ(10)式中:β为经验常数,其值为6.5;其他参数同式(9)。现将上述各模型的特点作一归纳与比较列于表1中。2试验研究内容在80年代国外进行了一些气体及液化气体的扩散试验。试验介质有LNG(液化天然气)、LPG(液化石油气)、液氨、氟里昂及氮气的混合气、氟化氢及二氧化硫等。这里简要介绍一下Burro系列试验。Lawrencelivemore国家试验中心与海军兵器中心于1980年6月9日,在加利福尼亚州China湖海军兵器中心进行了9次LNG扩散试验,第一次试验用35m3液氮泄放到水面上形成蒸气云,以此来标定红外气体仪。第二次至第九次试验是把24m3～39m3的LNG通过内径为25cm的泄放管泄放到直径大约为58m的水面上,以研究不同条件下LNG气体云的扩散情况。试验时在泄放点的上、下风向上布置了大量气体分析仪器和风速仪。在距泄放点800m的上风向和900m的下风向范围内布置了2个风速塔和25个气体分析塔,距下风向47m、140m、400m及800m处的气体分析塔呈弧形分布,在每个气体分析塔的1m、3m、8m高度处布置了90个气体浓度传感器。观测站均由微机控制。所采用的气体浓度分析传感器频率较高,为3Hz～5Hz。试验的详细情况及试验数据可参见文献。表2简要归纳了国外所进行的较大规模试验的情况。3气体扩散的研究高斯模型,B.M模型与SUTTON模型中的扩散参数是从大规模气体扩散试验数据用统计方