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基于Fluent的氫氣輸運管道泄漏擴散數(shù)值仿真研究*

2022-06-23 06:12賀朝陳旭童熙龍胡曉峰苑春苗
工業(yè)安全與環(huán)保 2022年6期
關(guān)鍵詞:危險區(qū)云圖射流

賀朝 陳旭 童熙龍 胡曉峰 苑春苗

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 沈陽 110819)

0 引言

氫氣作為一種新型能源,具有清潔低碳、制取方便、靈活高效和應(yīng)用場景豐富等優(yōu)點,可以廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、核電和建筑等領(lǐng)域,全世界許多國家已經(jīng)將氫能利用提升到國家戰(zhàn)略層面[1]。氫氣輸運安全問題是氫能廣泛應(yīng)用必須解決的問題,當(dāng)前氫氣的輸運方式主要有氣態(tài)輸運、液態(tài)輸運和固態(tài)輸運3種,氣態(tài)輸運根據(jù)運輸工具不同又可分為長管拖車和管道輸運兩種。其中能耗最小、成本最低且適用于較遠(yuǎn)距離和大規(guī)模氫氣輸送的是管道輸運[2]。氫氣管道輸運通常采用無縫鋼管,因氫氣具有“氫脆”和“氫腐蝕”的特性,且氫氣輸運管道工作環(huán)境具有高壓和振動等復(fù)雜工況,高壓氫氣容易在管道法蘭連接和閥門處發(fā)生泄漏,若通風(fēng)情況不佳,則容易積聚發(fā)生爆炸事故,造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[3]。

國內(nèi)外研究主要關(guān)注氫氣泄漏引發(fā)自燃的過程及機理和噴、射火引發(fā)事故后果的對比,對氫氣擴散后受環(huán)境因素的影響以及爆炸危險區(qū)的研究還比較缺乏。本文主要針對高壓氫氣輸運管道在不同環(huán)境情況下發(fā)生氫氣泄漏后,氫氣在空間中的擴散情況。利用Fluent工具進(jìn)行數(shù)值仿真,研究其在環(huán)境風(fēng)速影響下的時空分布情況。結(jié)合ORIGIN軟件分析危險區(qū)邊界與泄漏時間關(guān)系,為氫氣泄漏預(yù)警檢測儀器安裝提供指導(dǎo)性意見。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

本文利用SpaceClaim進(jìn)行幾何模型的建立。對于高壓輸運氫氣的管道及其泄漏后的擴散空間做二維建模,考慮到氫氣管道管徑通常在304~914 mm,建立管道管徑為400 mm的模型,為了盡可能模擬氫氣泄漏后在不受空間限制的環(huán)境下擴散的真實情況,本文建立了一個長10 m、寬8 m的二維矩形作為高壓氫氣泄漏以后的擴散空間,其示意圖如下圖1。

圖1 幾何模型示意

1.2 網(wǎng)格劃分

首先診斷導(dǎo)入的幾何模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),確認(rèn)其幾何結(jié)構(gòu)無誤后,將幾何邊界分為“inlet-hydrogen”“inlet-wind”“outlet-right”“outlet-bottom”“wall”等part作為流場的入口、出口及邊界;然后創(chuàng)建“2D surface blocking”,命名為“fluid”作為流場,將“fluid”劃分為3大塊,并對不同塊的邊界參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置,在入口附近進(jìn)行加密處理,使其能更詳細(xì)捕捉入口附近流體的流動狀況,見圖2。

圖2 泄漏點局部網(wǎng)格加密

1.3 控制方程

流體力學(xué)的控制方程是對有限大小的流體微團進(jìn)行質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律的分析,并結(jié)合雷諾輸運定理得出。流體流動要遵守守恒定律,滿足流體基本控制方程,對于供氫管道氫氣的泄漏,同樣遵守如下控制方程[4]:

(1)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程):

(2)動量方程:

式中,p為靜壓,τij為應(yīng)力張量,gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力,F(xiàn)i包含其他模型相關(guān)源項。應(yīng)力張量由下式給出:

(3)能量方程:

式中,cp為比熱容,T為溫度,k為流體的傳熱系數(shù),ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

(4)組分輸運方程。本文中,為了模擬氫氣從管道泄漏擴散到大氣中的多組分混合過程,采用組分輸運模型,定義組分為hydrogen-air(氫氣-空氣),因此還需遵守組分守恒定律。當(dāng)氫氣泄漏速率較大時,附加湍流輸運模型。守恒方程采用以下的通用形式[5]:

1.4 邊界條件的設(shè)置

選擇Fluent的二維壓力基求解器,讀取劃分好的網(wǎng)格文件,氫氣泄漏口inlet-hydrogen處采用速度入口(Velocity-inlet)作為入口邊界條件,將10、20 m/s分別作為入口速度;擴散區(qū)域上側(cè)為進(jìn)風(fēng)口inlet-wind,同樣采用速度入口,分別設(shè)定風(fēng)速為0、1、2、3 m/s;擴散區(qū)域右側(cè)outlet-right和下側(cè)outlet-bottom均為壓力出口(pressure-outlet),外界為大氣壓,溫度為300 K;擴散區(qū)域左側(cè)邊界(泄漏口兩側(cè))設(shè)定為壁面,采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù),無滑移,默認(rèn)為wall。為使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確,將迭代步數(shù)設(shè)置為1 000步。

由于標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型在使用過程中具有穩(wěn)定、經(jīng)濟、計算精度高等優(yōu)點,在工業(yè)流場模擬中應(yīng)用范圍十分廣泛[1],通過求解湍流動能方程和湍流耗散率方程得出k和ε,再根據(jù)求解值計算湍流粘度,最終利用Boussinesq假設(shè)得到雷諾應(yīng)力的解。在本文中,假定氫氣擴散過程時為各向同性的均勻湍流,因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon雙方程模型,在fluent中將湍流模型設(shè)置為k-epsilon(2eqn),其他保持默認(rèn)設(shè)置。

2 結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)風(fēng)速度影響

進(jìn)風(fēng)速度是影響氫氣擴散的重要因素之一,在泄漏速度相同的條件下,考慮環(huán)境風(fēng)風(fēng)速分別為0、2、4 m/s,比較不同風(fēng)速下氫氣泄漏的速度分布云圖,如下圖3。

(a)風(fēng)速為0時氫氣泄漏速度分布全局云圖及局部云圖

(b)風(fēng)速為2 m/s時氫氣泄漏速度分布全局云圖及局部云圖

(c)風(fēng)速為4 m/s時氫氣泄漏速度分布全局云圖及局部云圖

通過對比不同風(fēng)速下的氫氣泄漏的速度分布云圖,可以看出,氫氣從泄漏口射出并同周圍空氣摻混,呈射流狀態(tài),并且速度梯度隨著射程的增加而顯著下降,氫氣速度較大時,射流速度在擴散過程中起主導(dǎo)作用,風(fēng)速對氫氣速度的影響甚微;氫氣的速度較小時,在整個擴散空間中,流體的流動將隨著風(fēng)速的增大而加快,加快氫氣和空氣的混合,促進(jìn)氫氣向周圍擴散,使爆炸危險性提高。

由于射流氫氣初始速度大,攜帶能量多,不斷卷吸周圍空氣,根據(jù)動能守恒和動量守恒,被卷入的空氣獲得氫氣提供的動能,隨著射流一起向前運動。而氫氣由于動能的減小而逐漸失去速度,在整個擴散區(qū)域形成速度梯度分布。在氫氣運動的過程中,不斷的卷吸和擴散導(dǎo)致射流面積不斷擴大,在泄漏過程中,環(huán)境進(jìn)風(fēng)對氫氣擴散的影響十分顯著,不僅加快了氫氣與空氣的混合,而且不同的風(fēng)速對氫氣速度場分布影響不同,射流中心偏離水平方向且偏離方向與進(jìn)風(fēng)方向一致,速度場隨之改變。在風(fēng)速由0增至4m/s的過程中,風(fēng)速越大,速度場偏離水平方向角度越大,射流中心越靠近進(jìn)風(fēng)口下側(cè)邊界。

2.2 泄漏口處氫氣擴散規(guī)律

在泄漏速度和環(huán)境風(fēng)速一致的前提下,以泄漏時間為變量,考慮泄漏時間分別為t=0.5 s、t=2 s、t=4 s,觀察泄漏口附近氫氣擴散情況。不同擴散時間氫氣摩爾濃度分布圖(風(fēng)速為1 m/s)見圖4。

(a)t=0.5 s時氫氣摩爾濃度分布全局圖(左圖)及局部圖(右圖)

(b)t=2 s時(左圖)和t=4 s時(右圖)氫氣摩爾濃度分布全局圖

管道發(fā)生泄漏后,氫氣和周圍空氣不斷摻混,在發(fā)生泄漏的一小段時間內(nèi),受1 m/s的風(fēng)速作用,氫氣濃度主要分布在泄漏口及偏下區(qū)域,隨著氫氣的持續(xù)泄漏,空間內(nèi)氫氣覆蓋比例隨之增加,下風(fēng)側(cè)氫氣濃度明顯高于上風(fēng)側(cè)。

2.3 不同時刻爆炸危險區(qū)范圍

本文利用Fluent軟件的后處理器對不同泄漏時刻的氫氣爆炸模擬結(jié)果進(jìn)行后處理,結(jié)合圖形可視化技術(shù)和ORIGIN軟件,將不同時刻下氫氣爆炸危險區(qū)與泄漏口水平最遠(yuǎn)距離繪制如下圖5所示。

圖5 氫氣爆炸危險區(qū)與泄漏口水平最遠(yuǎn)距離隨時間變化

觀察圖5可以明顯發(fā)現(xiàn),曲線整體呈上升趨勢,隨著泄漏時間的延長,氫氣向空氣中擴散加強,爆炸危險區(qū)距泄漏口水平最遠(yuǎn)距離明顯增加,危險范圍擴大。因此,供氫管道廠房內(nèi)要合理安裝氣體濃度監(jiān)測報警器,一旦發(fā)生泄漏,確保第一時間進(jìn)行緊急處置,防止氫氣進(jìn)一步擴散,降低爆炸區(qū)域危險性,最大程度減少人員傷亡和財物損失。

3 結(jié)論

本文利用Fluent軟件對供氫管道氫氣泄漏擴散蔓延到大氣進(jìn)行模擬,通過對不同風(fēng)速、不同泄漏速度條件下氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、摩爾濃度分布進(jìn)行詳細(xì)分析,結(jié)合ORIGIN軟件繪制一系列圖表,得出以下結(jié)論:

(1)氫氣從泄漏口處發(fā)生射流,受外界風(fēng)的影響,氫氣擴散區(qū)域向下風(fēng)側(cè)偏移,危險區(qū)域主要集中在泄漏口軸線下方;風(fēng)速越大,垂直射流偏離角越大,射流在豎直方向的影響范圍越大;距泄漏口越遠(yuǎn),風(fēng)速的影響越大。

(2)在風(fēng)速相同的前提下,對比泄漏時間不同的氫氣摩爾濃度分布可知,廠房內(nèi)氫氣含量隨泄漏時間的延長而提高,在1m/s風(fēng)速作用下,下風(fēng)側(cè)區(qū)域的擴散面積明顯擴大,火災(zāi)爆炸危險指數(shù)提高,對于廠房內(nèi)預(yù)警和應(yīng)急處置系統(tǒng),可參考模擬結(jié)果進(jìn)行布置。

(3)通過爆炸危險區(qū)距泄漏口水平最遠(yuǎn)距離隨泄漏時間變化折線圖可以看出,隨著泄漏時間的增加,氫氣爆炸危險區(qū)邊界擴大,危險性提高。氫氣泄漏后的應(yīng)急救援應(yīng)將泄漏時間對泄漏范圍的影響納入考慮。

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