泄漏孔形狀對(duì)液化石油氣泄漏擴(kuò)散的影響
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翟美玉1，馬貴陽(yáng)1，王梓丞2
（1．遼寧石油化工大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001;
2．中石油新疆油田采油一廠，新疆克拉瑪依834000）
摘要：基于液化石油氣的特點(diǎn)，建立了有限空間內(nèi)部發(fā)生泄漏擴(kuò)散的物理模型，模擬了液化石油氣泄漏擴(kuò)散的過(guò)程，通過(guò)模擬結(jié)果分析其擴(kuò)散規(guī)律，并對(duì)比當(dāng)泄漏孔形狀分別為正方形、圓形、三角形時(shí)液化石油氣擴(kuò)散過(guò)程的變化以及對(duì)所形成的的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的影響。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(0.8，0.3，0)，點(diǎn)2(2.4，0.3，2.5)，點(diǎn)3(0，0.3，1.5)，點(diǎn)4(2，0.3，3)的濃度變化，找出報(bào)警器的最佳安放位置。結(jié)果表明：泄漏時(shí)間相同，丙烷的擴(kuò)散范圍從大到小依次為三角形孔口、圓形孔口、正方形孔口，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域也與泄漏孔形狀有關(guān)，三角形孔口的危險(xiǎn)區(qū)域范圍最廣，其次是圓形泄漏孔，正方形泄漏孔的范圍最小，點(diǎn)1處的丙烷濃度增長(zhǎng)幅度較大，濃度較高，可以更早達(dá)到報(bào)警濃度。
關(guān)鍵詞：液化石油氣；泄漏擴(kuò)散；數(shù)值模擬；泄漏孔形狀；爆炸區(qū)域
中圖分類號(hào)：X937 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 02. 009
0 引言
液化石油氣逐漸成為人們生活中常用的氣體燃料。液化石油氣是一種易燃易爆的氣體，當(dāng)與室內(nèi)的空氣相混合，達(dá)到一定的濃度值時(shí)，遇到著火源，將會(huì)發(fā)生火災(zāi)爆炸等事故。目前已有大量的研究人員針對(duì)燃?xì)庑孤┑臄U(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的研究，如Michal等提出了將仿真軟件與模型相結(jié)合來(lái)分析氣體擴(kuò)散過(guò)程的研究方法；Young - Do Jo等利用Fluent軟件對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與FLADIS場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；張甫仁等通過(guò)模擬室內(nèi)的燃?xì)庑孤⿺U(kuò)散得出室內(nèi)燃?xì)庑孤┑姆植家?guī)律；晏玉婷等模擬了埋地天然氣管道的泄漏，對(duì)比了壓力、孔徑、泄漏位置對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的影響；李朝陽(yáng)等模擬了埋地及架空燃?xì)夤艿赖男孤�，得出埋地管道的爆炸范圍小于架空管道；王�?shù)乾等得出不同的壓力條件下，天然氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程的變化；吳晉湘針對(duì)障礙物的尺寸及泄漏源等條件對(duì)可燃?xì)怏w的泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文利用CFD軟件Fluent對(duì)室內(nèi)有限空間內(nèi)部燃?xì)庑孤⿺U(kuò)散過(guò)程及爆炸危險(xiǎn)區(qū)域受泄漏孔形狀的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，為室內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏的安全預(yù)防及處理提供重要依據(jù)。
1 數(shù)學(xué)模型
1.1 基本假設(shè)條件
假定本文所研究的泄漏為連續(xù)泄漏，可燃?xì)怏w和空氣形成混合物，混合氣體呈湍流流動(dòng)狀態(tài)，各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。管內(nèi)的壓力恒定，氣體與室內(nèi)的環(huán)境之間不發(fā)生熱量交換。
1.2控制方程
該研究中所涉及的方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、本構(gòu)方程和標(biāo)準(zhǔn)k - Ɛ組分運(yùn)輸方程。
- 連續(xù)性方程
2氣體泄漏量
式中：P e為環(huán)境壓力，Pa；P為燃?xì)庠诠艿纼?nèi)部的壓力，Pa; Q m為燃?xì)庑孤┝�，kg/s; C d為氣體的泄漏系數(shù)，長(zhǎng)方形孔口取0.9，三角形孔口取0. 95，圓孔口取1.0；K為絕熱指數(shù)，取1. 29；A為泄漏孔口面積，m2；M為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol ;T為燃?xì)獾臏囟龋琄; R g為
氣體常數(shù)為8 314 J/( mol．K)。
3物理模型
- 物理模型的建立
建立如圖1所示的三維物理模型，房間長(zhǎng)4m，寬3m，高3.2 m，窗戶長(zhǎng)1.2 m，寬0.8 m，位于房間左壁面，門(mén)長(zhǎng)2m，寬1 m，位于房間右壁面，內(nèi)部障礙物長(zhǎng)1.6m，寬0.6 m，高0.9 m，障礙物距離房間左壁面1.6 m，距離右壁面0.8 m，障礙物上平面4個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為(1.6，0.9，0),(3.2,0.9,0),(3.2,0.9,0.6),(1.6,0.9,0.6)．障礙物頂面中心為泄漏孔，為了保證泄漏面積一定，分別取當(dāng)泄漏孔為圓形時(shí)半徑為0. 05 m，正方形時(shí)邊長(zhǎng)為0.088 5 m，正三角形時(shí)邊長(zhǎng)為0.13 m。
3.2 網(wǎng)格的劃分
本文利用Cambit首先對(duì)泄漏孔、窗戶、門(mén)和障礙物頂面4條邊進(jìn)行線網(wǎng)格的劃分，然后對(duì)整個(gè)體采取四面體網(wǎng)格單元，適當(dāng)位置包含六面體、錐體和楔形單元( Tet/Hybird)的劃分形式，泄漏孔處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，共劃分299 855個(gè)網(wǎng)格單元。
3.3 邊界條件的設(shè)置
將時(shí)間項(xiàng)設(shè)置為非穩(wěn)態(tài)，選取標(biāo)準(zhǔn)k-8湍流模型。啟動(dòng)組分運(yùn)輸模型，選取丙烷空氣混合模型，其中丙烷的組分為85%，丁烷的組分為15%，選取重力和全浮力影響選項(xiàng)。通過(guò)湍流強(qiáng)度公式和水力直徑公式，計(jì)算出泄漏孔、窗口、門(mén)處的湍流強(qiáng)度和水力直徑，泄漏孔為質(zhì)量流量入口，窗戶為速度入口，門(mén)為壓力出口，墻壁及障礙物壁面設(shè)置為固壁，選用Simple算法，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 s。
4 模擬結(jié)果與分析
設(shè)風(fēng)速為靜風(fēng)，環(huán)境溫度為293 K，相對(duì)濕度為40%，管道內(nèi)部燃?xì)獾膲毫?03 325 Pa泄漏方向?yàn)閥軸的正方向，對(duì)液化石油氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，由于液化石油氣的密度大于空氣，液化石油氣的報(bào)警器常安裝在距離地面高0.3 m的位置，所以取平行于地面且距離地面0.3 m的橫截面，與經(jīng)過(guò)泄漏孔中心與障礙物后壁面平行的橫截面進(jìn)行數(shù)值分析。
4.1 孔口形狀對(duì)擴(kuò)散的影響
圖2由左至右依次為正方形孔口、圓形孔口、三角形孔口，泄漏Ss時(shí)，平面z=0.3 m的丙烷濃度分布云圖和濃度等值線圖，由濃度云圖可以看出，泄漏出的丙烷氣體逐漸向外擴(kuò)散，并且丙烷的濃度分布范圍從大到小依次是三角形孔口>圓形孔口>正方形孔口，由泄漏5s時(shí)的丙烷濃度等值線圖可以看出，濃度為0. 05的等值線在泄漏孔分別為正方形，圓形，三角形時(shí)沿x軸方向上的距離依次為1. 08、1.28、1.48 m，濃度范圍逐個(gè)增大。
圖3由左至右依次為正方形孔口、圓形孔口、三角形孔口，泄漏30 s時(shí)，平面y=0.3 m的丙烷濃度分布云圖和濃度等值線圖，由于液化石油氣比空氣重，所以泄漏后會(huì)向地面方向下沉擴(kuò)散，由圖可以看出，濃度為0. 05的等值線在泄漏孔分別為正方形，圓形，三角形時(shí)沿z軸方向上的距離依次為1.5、1.6、1.7 m，濃度范圍逐個(gè)增大，且丙烷在障礙物兩側(cè)形成堆積，不易稀釋。
圖4由上至下分別為正方形孔口、圓形孔口、三角形孔口，泄漏15 s時(shí)，室內(nèi)的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域濃度云圖，丙烷的爆炸下限為2.1%，爆炸上限為9.5%，所以取濃度0. 021~0.095的范圍進(jìn)行觀察。由圖可以看出，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在障礙物附近，爆炸區(qū)域在泄漏孔分別為正方形、圓形、三角形時(shí)沿y軸方向上的距離依次為1.9、2.1、2.2 m，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍逐個(gè)增大，且逐漸向地面方向延伸，在泄漏氣體擴(kuò)散過(guò)程中，障礙物阻礙了氣體的運(yùn)動(dòng)路徑，部分氣體繞過(guò)障礙物向前運(yùn)動(dòng)，在障礙物的兩側(cè)堆積了大量的丙烷氣體，丙烷濃度逐漸增大，障礙物的兩側(cè)危險(xiǎn)性較高。
4.3泄漏孔發(fā)生旋轉(zhuǎn)對(duì)擴(kuò)散的影響
圖5所示為當(dāng)泄漏孔為三角形時(shí)泄漏30 s的丙烷濃度分布云圖，其中第一幅圖泄漏孔未旋轉(zhuǎn)，第二幅圖泄漏孔繞障礙物頂面中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)300，第三幅圖旋轉(zhuǎn)600。由該圖可以看出，當(dāng)泄漏孔的形狀不變且發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)丙烷的濃度分布范圍有所減小，這是因?yàn)樾孤┛?/p>
的旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于泄漏位置改變，當(dāng)其他條件固定時(shí)，泄漏位置的改變會(huì)使燃?xì)獾臄U(kuò)散路徑有所改變，從而使燃?xì)獾姆植及l(fā)生變化。
4.4不同位置的丙烷濃度
選取泄漏孔為圓形時(shí)，后壁面點(diǎn)1(0.8，0.3，0)，右壁面點(diǎn)2(2.4，0.3，2.5)，左壁面點(diǎn)3(0，0.3，1.5)，前壁面點(diǎn)4(2，0.3，3)四個(gè)點(diǎn)為研究對(duì)象，進(jìn)行不同時(shí)間的丙烷濃度值比較，研究不同的安裝位置丙烷濃度變化的規(guī)律。很據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范，在溫度15~35℃時(shí)，報(bào)警器對(duì)液化石油氣濃度的報(bào)警值一般在其體積分?jǐn)?shù)為0.1%~1%的范圍內(nèi)。
圖6為安裝點(diǎn)1~4在0~30 s時(shí)間內(nèi)的丙烷濃度變化曲線，由圖可以看出點(diǎn)1處的丙烷濃度增長(zhǎng)幅度較大，由于點(diǎn)1、2處距離泄漏口的水平位移相同，所以在前13 s，點(diǎn)1和點(diǎn)2處的丙烷濃度曲線近乎重合，點(diǎn)1處的丙烷濃度略高于點(diǎn)2，由于點(diǎn)3位于窗口附近，所以泄漏出的丙烷氣體與空氣充分混合，使該處的丙烷濃度值最小。點(diǎn)4位于前壁面，距離泄漏孔較遠(yuǎn)，所以點(diǎn)4處的丙烷濃度要小于點(diǎn)1、2處。因此，報(bào)警器安放在點(diǎn)l處，可以更早的達(dá)到報(bào)警濃度。
5 結(jié)論
1)管內(nèi)壓力一定，泄漏面積相同時(shí)，泄漏孔的形狀對(duì)液化石油氣的泄漏擴(kuò)散過(guò)程有著一定的影響。泄漏時(shí)間相同，三角形孔口泄漏出的液化石油氣分布范圍更廣，其次是圓形泄漏孔，分布范圍最小的是正方形泄漏孔。
2)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域也受泄漏孔形狀的影響，當(dāng)泄漏15 s時(shí)，爆炸區(qū)域在泄漏孔分別為三角形、圓形、正方形時(shí)沿y軸方向上的距離依次為2.2、2.1、1.9 m，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍依次減小，且危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在障礙物附近，障礙物阻礙了氣體的運(yùn)動(dòng)路徑，部分氣體繞過(guò)障礙
物向前運(yùn)動(dòng)，在障礙物的兩側(cè)堆積了大量的丙烷氣體，障礙物的兩側(cè)危險(xiǎn)性較高。
3)在所監(jiān)測(cè)的四個(gè)點(diǎn)中，點(diǎn)1處的丙烷濃度值增長(zhǎng)迅速且增長(zhǎng)幅度較大，能更快的達(dá)到報(bào)警濃度值，所以可以優(yōu)先考慮與泄漏口距離較近處的后壁面安裝點(diǎn)1處來(lái)安裝報(bào)警器，以爭(zhēng)取更多的搶救時(shí)間。
