馮博 馬云龍 王家遠(yuǎn)

基于FLUENT的LPG球罐泄漏擴(kuò)散規(guī)律探究

馮博1,2馬云龍1,2王家遠(yuǎn)1,2

1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院 2.山東科技大學(xué)省部共建礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地

針對(duì)液化石油氣球罐泄漏擴(kuò)散問題,基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT,參照某型號(hào)球罐,建立球罐的三維模型。模擬得到LPG的泄漏擴(kuò)散分布規(guī)律,并根據(jù)LPG的1.5%(φ)～9.5%(φ)爆炸極限確定LPG泄漏后的危險(xiǎn)區(qū)域。模擬結(jié)果得出LPG泄漏擴(kuò)散的規(guī)律并以此預(yù)測(cè)LPG泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域。為此類事故的預(yù)防、控制以及人員應(yīng)急逃生等提供了參考。

球罐 FLUENT 天然氣泄漏 擴(kuò)散規(guī)律 數(shù)值模擬

液化石油氣(LPG)的密度與空氣相近,易在空氣中擴(kuò)散,并向地勢(shì)較低處流動(dòng),在通風(fēng)不良的情況下發(fā)生積聚,進(jìn)而與空氣混合形成爆炸性混合物[1-3]。球罐作為大容量、承壓的球形儲(chǔ)存容器,廣泛應(yīng)用于LPG等可燃?xì)怏w的儲(chǔ)存且儲(chǔ)量巨大。大多數(shù)球罐一旦發(fā)生泄漏爆炸事故,往往會(huì)造成巨大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[4-5]。所以,研究LPG儲(chǔ)罐的泄漏擴(kuò)散規(guī)律,對(duì)事故發(fā)生后的應(yīng)急處理具有實(shí)際意義。

FLUENT是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬軟件之一,在流體熱傳遞和離散源的模擬方面有很大優(yōu)勢(shì),并具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值分析方法和強(qiáng)大的后處理系統(tǒng)。因此,本研究采用FLUENT軟件模擬球罐泄漏擴(kuò)散的過程,通過分析泄漏后達(dá)到爆炸極限的區(qū)域變化,為制定應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型與基本條件假設(shè)

1.1 數(shù)學(xué)模型

LPG的泄漏擴(kuò)散過程可以用CFD模型來計(jì)算。CFD模擬是基于基本的守恒方程(質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程等),在初始條件和邊界條件的約束下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,對(duì)指定的流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬[6]。

本次模擬涉及到的方程如下。

(1)連續(xù)方程(質(zhì)量守恒):

式中:ρ為氣體密度,x為坐標(biāo),u為速度矢量,t為時(shí)間。

(2)Navier-Stokes方程:

式中:p為湍流有效壓力;μ為層流黏性系數(shù);μt為湍流黏性系數(shù),μt=ρCμk2/ε,k為湍動(dòng)能,ε為湍動(dòng)能耗散率,Cμ取0.09。

(3)組分質(zhì)量守恒方程:

式中,cs為組分s的體積濃度;ρcs為該組分的質(zhì)量濃度;Ds為該組分的擴(kuò)散系數(shù);Ss為系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量,即生產(chǎn)率。

在本次模擬中的流場(chǎng)為湍流,故采用k-epsilon模型。該模型基于渦流黏滯度理論進(jìn)行方程閉合,是適用面最廣的湍流方程,適用于氣體的擴(kuò)散模擬[7]。

1.2 基本條件假設(shè)

模擬時(shí)假設(shè)和簡(jiǎn)化條件如下:

(1)LPG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后,泄漏源的源強(qiáng)為連續(xù)、均勻的。

(2)泄漏氣體的質(zhì)量是守恒的,在整個(gè)過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變。

(3)泄漏過程中,風(fēng)向恒為水平方向,不隨高度發(fā)生變化。

(4)不考慮氣體的熱傳遞[8]。

2 物理模型

2.1 模型構(gòu)建

本次模擬的計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)220 m、寬100 m、高60 m的長(zhǎng)方體,其中左側(cè)面為速度進(jìn)口,地面為壁面,其他面為自由出流。球罐距離左側(cè)面20 m。球罐半徑為9 m,容積為3 000 m3,球心距地面10.6 m,由10根立柱支撐。根據(jù)情況劃分網(wǎng)格,設(shè)定約束條件,最后以mesh文件格式輸出。

網(wǎng)格生成情況如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

(1)環(huán)境參數(shù):環(huán)境壓力為101 325 Pa,溫度為300 K。

(2)風(fēng)向沿Y軸正方向,風(fēng)流為勻速,速度大小取3 m/s(山東省平原地區(qū)平均風(fēng)速為2.5～3 m/s[9],本研究取較大值)。

(3)泄漏物參數(shù):在LPG中,丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%以上,所以LPG密度取丙烷密度1.91 kg/m3,爆炸極限取較廣范圍1.5%～9.5%(體積分?jǐn)?shù),下同)[10]。

(4)泄漏源參數(shù):泄漏孔為半徑0.2 m的圓形,距地面10.6 m。LPG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí),因壓力降低而氣化,故屬于氣相泄漏。泄漏時(shí)氣體流速為100 m/s,泄漏時(shí)間為170 s。

3 模擬結(jié)果分析

首先,通過k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬,再通過Species Transport模型對(duì)瞬態(tài)(時(shí)間尺度)LPG擴(kuò)散運(yùn)輸流場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置,采用simple算法進(jìn)行求解計(jì)算。根據(jù)需要,提取不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)對(duì)LPG的泄漏及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析[11]。并依據(jù)相關(guān)的法律法規(guī)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),制定合理可靠的應(yīng)急預(yù)案[12]。

3.1 氣體泄漏后危險(xiǎn)區(qū)域分析

LPG的爆炸極限為1.5%～9.5%(相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～12.7%)。在泄漏過程中質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于爆炸上限的區(qū)域一般處于高于爆炸下限的區(qū)域內(nèi)部,故將LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限的區(qū)域視為危險(xiǎn)區(qū)域。

LPG泄漏的危險(xiǎn)區(qū)域橫向縱向上的擴(kuò)散范圍隨時(shí)間變化的情況如圖2所示。在0～70 s時(shí),橫向泄漏范圍不斷擴(kuò)大且增長(zhǎng)速度先增大后減小再增大,運(yùn)用MATLAB擬合曲線為y=2.0212x3-31.036x2+160.86x-127.32,最大范圍可達(dá)200 m;縱向范圍呈線性增長(zhǎng),擬合曲線為y=12.069x-15.786,最大范圍可達(dá)80 m。在80 s,橫向范圍驟降至150 m后維持穩(wěn)定,縱向范圍降至50 m后維持穩(wěn)定。

氣體泄漏擴(kuò)散分為兩個(gè)階段。

第一階段為加速階段(0～70 s)。如圖3所示,在泄漏初期,由于風(fēng)速的影響,泄漏氣體沿泄漏方向快速擴(kuò)散,并在重力作用下迅速下沉,沿地表運(yùn)動(dòng)(LPG相對(duì)于空氣密度為1.48)。在這一階段,氣體的擴(kuò)散速度最快。但泄漏氣體沿泄漏方向的流動(dòng)速度逐漸放緩,向兩側(cè)的流動(dòng)速度幾乎不變。氣體沿地表流動(dòng),并發(fā)生分叉現(xiàn)象,分為兩股較小氣流向兩側(cè)流動(dòng)。

在橫向上,泄漏氣體一直進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng),并在階段末期達(dá)到最大范圍。在0～40 s,氣體從球罐噴出后受到空氣阻力以及地面的摩擦阻力影響,運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低;在40～70 s,氣體的運(yùn)動(dòng)模式由空中噴射轉(zhuǎn)為沿地表蔓延,在重力的作用下迅速擴(kuò)散,運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低,這一過程往往隱蔽迅速,能夠造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

在縱向上,氣體擴(kuò)散速度均勻,以大約12 m/s的速度擴(kuò)散。

第二階段為平衡階段(80～170 s)。如圖4所示,泄漏氣體分叉現(xiàn)象進(jìn)一步加劇,擴(kuò)散速度放緩。泄漏氣體整體呈三角形沿地表蔓延。在這一階段,LPG的擴(kuò)散作用與對(duì)流作用達(dá)到平衡,使爆炸危險(xiǎn)區(qū)域在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)波動(dòng)變化。在橫向上,泄漏范圍穩(wěn)定在153.69 m;在縱向上,泄漏范圍穩(wěn)定在52.28 m,泄漏面積穩(wěn)定在4 017.46 m3。當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)從第一階段向第二階段發(fā)展時(shí),無論是橫向還是縱向都出現(xiàn)了急劇下降。這是因?yàn)闅怏w在風(fēng)流與重力的共同作用下,迅速擴(kuò)散并在第一階段末期達(dá)到最大泄漏面積。同時(shí),也使得氣體與空氣的接觸面積增大,致使對(duì)流加速,危險(xiǎn)范圍急劇降低。

3.2 氣體泄漏呼吸帶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

人的呼吸帶高度為1.5 m,同時(shí)這一高度也是人的主要活動(dòng)聚集的高度,極易產(chǎn)生點(diǎn)火源,需要進(jìn)行重點(diǎn)分析。由圖5、圖6及表1分析,可以看出氣體的擴(kuò)散區(qū)域前部為30°的三角形,后部為矩形。在面積變化上,LPG擴(kuò)散面積隨時(shí)間變化逐漸增大,且增速也隨之增大。在形狀變化上,三角形區(qū)域面積所占比例逐漸增大。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布上,前期(0～20 s)擴(kuò)散區(qū)域LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為均勻;中期(30～60 s)隨著擴(kuò)散范圍的增大,中部區(qū)域出現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的區(qū)域;到了后期(70～80 s),中部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低區(qū)域逐漸增大,且隨著時(shí)間變化,這一趨勢(shì)愈加明顯。

表1 距地面1.5 m處LPG擴(kuò)散面積及三角形區(qū)域比例Table 1 LPG dispersion area at 1.5 m above the ground and proportion of the triangle area

3.3 泄漏后撤離線路分析

如圖7所示,當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí),處于距泄漏點(diǎn)較遠(yuǎn)的下風(fēng)處危險(xiǎn)區(qū)域的人員應(yīng)該向泄露點(diǎn)兩側(cè)疏散,處于距泄漏點(diǎn)較近兩側(cè)區(qū)域的人員應(yīng)該向上風(fēng)處撤離。由圖2的分析可知,在風(fēng)向上的泄漏范圍最遠(yuǎn)可達(dá)202.4 m,故在下風(fēng)處202.4 m范圍以內(nèi)的人員應(yīng)優(yōu)先撤離。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用FLUENT軟件中的組分輸運(yùn)模型對(duì)一起較為典型的LPG球罐泄漏事故進(jìn)行數(shù)值模擬,較大程度上對(duì)LPG泄露擴(kuò)散過程進(jìn)行了真實(shí)還原,且具有一定的代表性,對(duì)生產(chǎn)事故的預(yù)防與應(yīng)急處置有一定指導(dǎo)作用。根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié),得出以下主要結(jié)論。

(1)由模擬結(jié)果可知,LPG密度大于空氣,會(huì)沿地表蔓延,在低洼處沉積。在日常的安全管理中,應(yīng)杜絕地勢(shì)較低處的點(diǎn)火源,并加強(qiáng)通風(fēng)措施以預(yù)防積聚。

(2)在LPG泄漏的前期,其擴(kuò)散速度極快,可在70 s短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大面積,但隨后可能發(fā)生爆炸事故的危險(xiǎn)區(qū)域面積不再擴(kuò)大,而是穩(wěn)定在一個(gè)固定范圍。

(3)在人員活動(dòng)頻繁的距地表1.5 m處,LPG氣體覆蓋區(qū)域前部為三角形,后部為矩形,并隨著擴(kuò)散的進(jìn)一步進(jìn)行,三角部分面積比例不斷增大。根據(jù)模擬的結(jié)果,該區(qū)域應(yīng)盡量避免動(dòng)火作業(yè)。

(4)在制定安全對(duì)策措施時(shí)要考慮最不利的情況。由分析可知,發(fā)生泄漏后泄漏源下風(fēng)處最先達(dá)到LPG的爆炸極限濃度,處于正下風(fēng)側(cè)方向的人員受到危害性最大,可用于疏散的時(shí)間最短,應(yīng)對(duì)該區(qū)域人員進(jìn)行優(yōu)先撤離,而當(dāng)風(fēng)向?yàn)槠渌较虻臅r(shí)候,人的逃離時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)一些。

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Study on leakage and diffusion of LPG spherical tank based on FLUENT

Feng Bo1,2,Ma Yunlong1,2,Wang Jiayuan1,2
1.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,China;2.Key Lab of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,China

In order to study the leakage and diffusion of LPG spherical tank,a three-dimensional model of spherical tank by taking a spherical tank as reference,was established based on a computational fluid dynamics software FLUENT.The danger zone after the leakage of natural gas was determined according to LPG explosion limit of 1.5%-9.5%.Simulation results showed that the leakage and diffusion laws of LPG and further the danger zone of the leakage and diffusion of LPG could be predicted based on these factors.This paper provided a reference for the prevention,control and emergency escape of similar accidents.

spherical tank,FLUENT,LPG leakage,diffusion law,numerical simulation

X932;TE88

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.020

馮博(1994-),男,碩士研究生,現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué),主要從事危險(xiǎn)源辨識(shí)工作。E-mail:skfb1994@126.com

2017-06-05;編輯:鐘國(guó)利