危險性氣體擴散數(shù)值模型與試驗研究綜述

危險性氣體擴散數(shù)值模型與試驗研究綜述

在化工、石油、化工、其他行業(yè)中，有許多有害藥物，如易分解和有毒氣體和液體（如液化氣石油氣、氨、氯、硫等）。如果在生產(chǎn)、運輸過程中發(fā)生錯誤或其他原因，這些危險物質(zhì)將導(dǎo)致巨大的環(huán)境影響。由于可燃或毒性物質(zhì)泄漏造成慘重損失的報道在國內(nèi)外屢見不鮮。為了預(yù)防此類事故的發(fā)生并為事故發(fā)生后提供積極補救措施,對危險性氣體的擴散作深入的研究是很有必要。國內(nèi)關(guān)于危險性氣體在大氣中擴散的研究報導(dǎo)較少。國外在這方面的研究工作始于七、八十年代,直到現(xiàn)在該領(lǐng)域的研究還比較活躍。在此期間,提出了不少擴散的計算模型,同時也進行了許多大規(guī)模試驗。本文主要對氣體擴散的數(shù)值模型與試驗作以介紹。1計算值的模型1.1煙羽模型初創(chuàng)期主要適用于自然不干該模型適用于點源的擴散,早在五、六十年代就已被應(yīng)用。它是從統(tǒng)計方法入手,考察擴散質(zhì)的濃度分布。plumemodel(煙羽模型)適用于連續(xù)源的擴散,puffmodel(煙團模型)適用于短時間泄漏的擴散(即泄放時間相對于擴散時間比較短的情形,如突發(fā)性泄放等)。煙羽模型的假設(shè)如下:1)定常態(tài),即所有的變量不隨時間變化;2)適用于密度與空氣相差不多的氣體的擴散(不考慮重力或浮力的作用),且在擴散過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);3)擴散氣體的性質(zhì)與空氣相同;4)擴散質(zhì)達到地面時,完全反射,沒有任何吸收;5)在下風(fēng)向上的湍流擴散相對于移流相可忽略不計,這意味著該模型只適用于平均風(fēng)速不小于1m/s的情形;6)坐標系的x軸與流動方向重合,橫向速度分量V、垂直速度分量W均為0;7)假定地面水平。煙羽模型的濃度分布算式為式中,C為擴散質(zhì)的濃度(以百分數(shù)表示的體積分數(shù));Q為源的泄放速率,m3/s;H為有效源高,m;x、y、z是該點坐標,m;σy,σz分別是橫風(fēng)向和豎直方向的擴散系數(shù)(高斯分布的標準方差),m。盡管諸多假設(shè)使煙羽模型的使用受到了限制,但該模型仍被廣泛應(yīng)用,主要用于煙囪排煙的計算上。究其原因有以下幾點:1)該模型提出較早,試驗數(shù)據(jù)多,較為成熟;2)模型簡單,易于理解,計算方便;3)計算結(jié)果與試驗值能較好吻合。煙羽模型只適用于連續(xù)源或泄放時間大于或等于擴散時間的擴散,如果要研究瞬時泄放(泄放時間小于擴散時間),如容器突然爆炸導(dǎo)致其內(nèi)部介質(zhì)瞬時泄放出來的情況,就應(yīng)用修改的煙團模型。若假設(shè)氣體云內(nèi)空間上的濃度為高斯分布。則地面處下風(fēng)向的煙團模型濃度分布算式為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為水平方向上的擴散系數(shù)(在水平方向上被認為是各向同性的),m;M為氣體或污染物的泄放總量,m3;其它符號意義同式(1)。高斯羽煙模型及煙團模型未考慮重力影響,所以只適用于輕氣體或與空氣密度相差不多的氣體的擴散。雖然高斯模型存在許多缺點,但目前美國環(huán)境保護協(xié)會EPA所采用的許多標準仍以高斯模型為基礎(chǔ)而制定,并在廣泛應(yīng)用著。1.2britter和mcquaid計算表的形成該模型由一系列重氣體連續(xù)泄放和瞬時泄放的試驗數(shù)據(jù)繪制成的計算圖表組成。后來Hanna等人對其進行了無因次處理并擬合成解析公式,發(fā)現(xiàn)能與Britter和McQuaid繪制的試驗曲線吻合得較好。該模型具有簡單易用的特點。1.3氣體擴散參數(shù)該模式是用湍流擴散統(tǒng)計理論來處理湍流擴散問題的。其濃度分布的計算公式為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為氣體濃度(以百分數(shù)表示的體積分數(shù));Q為氣體泄放速率,m3/s;u為風(fēng)速,m/s;h為氣體泄源高度,m;x為下風(fēng)向距離,m;y為橫風(fēng)向距離,m;z為垂直高度,m;n,Cy,Cz為與氣象條件有關(guān)的擴散參數(shù)(n無量鋼,Cy和Cz的單位為m)。Sutton模型在模擬可燃氣體泄放擴散時,會產(chǎn)生較大誤差,可與試驗值相差1倍以上。1.4模型的計算公式FEM3(3-DFiniteElementModel)模型是3維有限元計算模型。該模型的原型是1979年提出的,最初是為了模擬LNG(液化天然氣)的突發(fā)性泄放,用該模型對LNG的泄放進行了系列模擬,獲得了較好的結(jié)果。近幾年隨著模型的不斷完善,已可處理毒氣及可燃性氣體等許多重氣體的擴散。對4種液化丙烷的擴散進行模擬結(jié)果還能反映出重氣擴散的趨勢,只是有時計算結(jié)果與試驗值會相差好幾倍。模型所用有限元解法系由伽遼金(Galerkin)法改進而來,主要可解不定常的連續(xù)性方程、動量方程、熱量方程、擴散方程以及理想氣體狀態(tài)方程,它用K理論(梯度輸運理論)來處理湍流問題。近幾年該模型的發(fā)展較快,可處理復(fù)雜地形條件下的擴散,如建筑物附近的擴散,其缺點是求解特別困難。FME3模型適于處理連續(xù)源泄放及有限時間內(nèi)的泄放。在處理瞬時源的泄放時,應(yīng)對原模型作些修改。FEM3模型的主要計算公式如下:?(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為氣體速度,m/s;R為通用氣體常數(shù),kg/(kmol·k);P為擴散壓力,N/m2;M為混合氣體分子質(zhì)量,kg/kmol;T為混合氣體溫度,K;KT,Km,Kω分別為溫度,速度,濃度的擴散系數(shù),m/s;ω為擴散質(zhì)濃度(以百分數(shù)表示的體積分數(shù));ρ為氣體云密度,Kg/m3,MN,MA分別為擴散氣體及空氣的分子質(zhì)量,kg/kmol;g為重力加速度,m/s2;CP,CPN,CPA分別為混合氣、純擴散氣體及空氣的比熱,J/(Kg·k);ρh為靜止空氣密度,kg/m3;t為時間,s。式(4)是動量守恒方程,它與一般的N-S方程相比多了等式右邊的最后一項,該項的意義是由于浮力而引起的速度變化;式(5)是連續(xù)性方程;式(6)是熱平衡方程,等式右端第一項是由于熱傳遞而引起的溫度變化,第二項是由于氣體擴散傳質(zhì)而引起的溫度變化;式(7)是擴散的質(zhì)量平衡方程;式(8)是理想氣體狀態(tài)方程。由于氣體擴散與溫度分布、速度分布有關(guān),而速度與溫度的變化又影響濃度,同時濃度的變化又反過來影響溫度和速度,因此在方程的求解中需要進行迭代計算。FEM3模型處理湍流問題時,需用梯度輸運理論和混合長理論(簡稱為K理論),該理論是一種局部平衡理論。Koopman(1986年)指出,當所研究的問題與環(huán)境的湍流混合長相接近時,K理論是比較適合的,K理論的另一個特點是比較簡單。假設(shè)Kω=KT,豎直方向擴散系數(shù)的算式為Kv=κ[(u?z)2+(w?h)2]12Φ(9)Κv=κ[(u*z)2+(w*h)2]12Φ(9)式中:κ為馮卡曼常數(shù),其值為0.4;u*為摩擦速度,m/s;w*為體云內(nèi)部的“對流速度”,m/s,h為氣體云的高度參數(shù),m;z為高度,m;Φ為Monin-Obuknhov函數(shù),具體表達式見文獻。水平方向的擴散系數(shù)算式為Kh=βκu*z/Φ(10)式中:β為經(jīng)驗常數(shù),其值為6.5;其他參數(shù)同式(9)。現(xiàn)將上述各模型的特點作一歸納與比較列于表1中。2試驗研究內(nèi)容在80年代國外進行了一些氣體及液化氣體的擴散試驗。試驗介質(zhì)有LNG(液化天然氣)、LPG(液化石油氣)、液氨、氟里昂及氮氣的混合氣、氟化氫及二氧化硫等。這里簡要介紹一下Burro系列試驗。Lawrencelivemore國家試驗中心與海軍兵器中心于1980年6月9日,在加利福尼亞州China湖海軍兵器中心進行了9次LNG擴散試驗,第一次試驗用35m3液氮泄放到水面上形成蒸氣云,以此來標定紅外氣體儀。第二次至第九次試驗是把24m3～39m3的LNG通過內(nèi)徑為25cm的泄放管泄放到直徑大約為58m的水面上,以研究不同條件下LNG氣體云的擴散情況。試驗時在泄放點的上、下風(fēng)向上布置了大量氣體分析儀器和風(fēng)速儀。在距泄放點800m的上風(fēng)向和900m的下風(fēng)向范圍內(nèi)布置了2個風(fēng)速塔和25個氣體分析塔,距下風(fēng)向47m、140m、400m及800m處的氣體分析塔呈弧形分布,在每個氣體分析塔的1m、3m、8m高度處布置了90個氣體濃度傳感器。觀測站均由微機控制。所采用的氣體濃度分析傳感器頻率較高,為3Hz～5Hz。試驗的詳細情況及試驗數(shù)據(jù)可參見文獻。表2簡要歸納了國外所進行的較大規(guī)模試驗的情況。3氣體擴散的研究高斯模型,B.M模型與SUTTON模型中的擴散參數(shù)是從大規(guī)模氣體擴散試驗數(shù)據(jù)用統(tǒng)計方