厂区天然气泄漏扩散的数值模拟研究.pdf

第 6卷 2 00 7钲 第 2期 4月 广州大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f G u a n g z h o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n Vo 1 ． 6 Ap r ． No ． 2 20 0 7 文章编号 1 6 7 1 4 2 2 9 2 0 0 7 0 2 - 0 0 6 8 - 0 6 厂区天然气泄漏扩散的数值模拟研究 肖淑衡 ，梁 栋 2 1 ．中山大学 工学院， 广东 广州5 1 0 2 7 5 ； 2 ．中山大学 B P液化天然气教育培训与研究中心， 广东 广州5 1 0 2 7 5 摘要 根据危险性气体空间泄漏扩散的特点， 对厂区天然气等危险性轻质气体泄漏扩散运动进行了数值模 拟， 着重研究了大气风向风速、 泄漏射流方向和泄漏时间对危险性轻质气体 天然气 空间泄漏扩散浓度场和危 险性区域的影响．其中大气主导风的风速对气体扩散浓度和扩散危险性 区域有很 大的影响， 如等值线图模拟 的条件下， 在 方向上， 风速 口 0 ． 5 m- s 比口 5 ． 0 m s 条件下危险性区域大 1 5 5 m． 关键词 天然气 ； 泄漏扩散 ； 数值模拟 ；危险性 区域 中图分类号 0 3 5 文献标识码 A 由于危险性气体泄漏造成惨 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 的．国内关于危险 性气体在大气 中扩散 的研究报道较少 ， 国外在这 方面 的研究工作始 于 2 0世纪七 、 八 十年代 ， 直到 现在该领 域 的研究 还 比较 活跃 ， 开展 了若 干研 究 ] ． 目前国内外对于危险性气体泄漏扩散 的研究 多集中在不考虑实际条件 的理论模型与基本方程 的研究 ， 得出的大多是理论结果 ， 而针对厂 区实际 条件下燃气等危险性气体在大气风流中泄漏扩散 的研究较少 ； 大多数 的文献 中均提 到危 险性气体 的泄漏扩散受泄漏源位置 、 泄漏速度 、 方向以及气 象条件 、 风速等因素的影响， 但很少针对 以上因素 对危险性气体扩散浓度场和危险性区域进行具体 的研究．为此本文采用计算机数值模拟 的方法 ， 以 天然气为对象 ， 研究厂 区危 险性轻质气体空 间泄 漏扩散的运动规律及泄漏方向、 风速 、 泄漏时间等 因素对其浓度场和危险性 区域 的影响等． 1 厂区天然气泄漏扩散的数值计算 1 ． 1 数值计算模型 在厂区或建筑群内， 低层大气的流动为紊流 运动 ， 泄漏的危险性气体的温度 、 浓度和大气风速 都受建筑物等 固体障碍物 的影 响， 随时间和空间 变化．假设低层大气的流动是定常流； 在小密度差 的前提下 ， 借助 B o u s s i n e s q近似假设 ， 即密度变化 的作用仅在运动方程 中的重力项上保 留， 对其它 项的影响忽略不计．因此 ， 在运动方程 中惯性力项 和粘性力项上的密度都被视为常数 ， 只在重力项 上计算由于泄漏气体浓度 的存在所产生的体积力 专指上浮力 ， 考虑密度变化．当泄漏气体 的气体 常数值与大气接近但温度有较大差异时， 泄漏气体 在大气风流中的运动可用如下微分方程描述 J 1 质量守恒方程 塑 0 1 O t O x． 、 、 2 动量守恒方程 S i p u , 去 一 O P 0 [ - O u i厂 1 0 2 3 能量方程 ， 、 C p I O t “ 一O x J ＼ ， 去 后 O T c 后 O T c 杀 后 杀一 c _ S r 3 收稿 日期 2 0 0 60 8 2 9 ； 修 回 日期 2 0 0 61 21 1 作者 简介肖淑衡 1 9 8 1一 ， 女 ， 工学硕士 ， 主要从事能源与燃 气安全研究 通信 作者 维普资讯 第 2 期 肖淑衡等 厂区天然气泄漏扩散的数值模拟研究 6 9 塑 一O CO t O x O y O z 立O x D O x 4 、 ， ＼ ， 式 中_ 复 三 。 紊 流 附 加 应 力 ； c P 。 是 紊 流 附 加 热 流； 、 分别为粘性耗散函数的时均值和脉动值． { 2 [ ] 5 { 2 [ 。 ] 6 时均流控制方程的一般形式 O t 一 r 一 7 x 。 c； 、 中 。 c r J 、 为了求解时均方程 ， 得出速度 、 压力和温度的 时均值， 必须确定紊流相关项 和 c ．为了 封闭上述方程组需引入紊 流模型．采用 一 模 型 ， 控制方程包括 了连续 性方程 、 动量方程 、 能量 方程 、 扩散方程 、 紊流动能 方程和紊流动能耗散 方程．这些微分方程的变量不同， 按照文献 [ 7 ] 的作法 ， 可用 来表示待求变量 ， 表达为统一的微 分方程形式 一 击 r S t a 。c a。c；、 ax 。 、 或写成矢量形式 d i v p 一F , g r a d d S 9 为通用变量 ， r 为交换系数 ， 5 为源项．控制方 程的 、 r 和 5 见表 1所示． 表 1 控 制方 程 的变量 和参 数 T a b l e 1 Va r i b l e s a n d p a r a me t e r s f o r t h e g o v e r n i n g e q u a t i o n 警 ， G O z ， 吩 一 I G ／ c G b ， ， I -t C , Co p k ／s ． 式 中 ， ， W为时均速度分量 ， 1T I s ～； p为风流中 压强的时均值 ， P a ； p为空气与有害气体混合气体 的密度 ， k gm～； ／ 3为体 积膨胀 系数 ， 为参考 温度 ， ℃ ； T为温度 ， ℃ ； C为有害气体的质量浓度 的时均值 ； 为空气 的动力粘性 系数 ； 为湍流粘 性系数 ， 为 ， ， W方 向的广义 扩散 系数 ； G 为 脉动动能产生率； G 为脉动势能产生率． 上式中常数的取值 c 0 ． 0 9 ， C 。 1 ． 0 ， C 。 1 ． 4 4， C21 ． 92， C30． 8， 1 ． 0， 1 ． 3， 0． 9． 参照 N u n k ． A n d e r s o n公 式引入 密度浮力作用 对 的影响 J ， 有 ／ t r 册 1A R 。 ／ 1B R 。 1 0 式中 a一0 ． 5， A1 0 ， b一1 ． 5 ， B 3 ． 3 3 ． 、， 砉 l ／ 、， 一 ／ 、， ／ 2 r● ●，、 L 中 其 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 7 0 广州大学学报 自然科学版 第 6卷 1 ． 2 计算条件 由于气体泄漏扩散过程极其复杂 ， 为简化 分 析 ， 作如下假设 ①泄漏时泄漏面积随时间不发生 变化 ， 气体泄漏速率不随时间而变化 ； ②气云在扩 散中不发生化学反应和相变反应 ， 也不发生液滴 沉降； ③风 向为水平方 向， 风速和风 向不 随时间、 地点和高度变化； ④泄漏看作地面泄漏． 参考某厂区的平面图， 选取 天然气 甲烷 作 为轻质气体进行数值模拟．取模拟区域的尺寸为 2 6 0 m 长1 8 0 m 宽 5 0 m 高 ， 人 口和出 口 尺寸均为 1 8 0 m 5 0 m， 在一固定泄漏源位置 7 2 m， Y 9 0 m， 0 ． 1 m 分为 0 、 b 、 c 三个方向泄 漏分别进行模拟 其 中 a方向为平行于入口指 向 Y 轴负方向 ， b方向为垂直于人 口指向 轴正方向， c 方 向为平行于人口指向 轴正方 向 ．泄漏 口尺寸 为 0 ． 1 5 m， 距地面高 0 ． 1 m， 泄漏口初始浓度 为 1 ， 空气 中 甲烷 的初始浓 度为 0 ．环境 温度为 2 0 C．计算网格采用非结构化网格 ， 网格数为 1 2 0 长 7 5 宽 2 0 高 1 8 0 0 0 0 个 ． 在数值模拟中则取沿 正方向 0 ． 5 、 0 ． 9 5 、 f a 1 v 0． 5 m s c v 1 ． 7 m s 1 ． 7 、 2 ． 4 、 3 ． 4和 5 ． 0 m s 6种不同平均风速 其 中 2 ． 4 m s 为 广 州 地 区 冬 季 室 外 平 均 风 速 ， 3 ． 4 m s 为广州地 区冬季室外最多风 向的平均 风速 ． 对固定泄漏源位置处 3个不同的泄漏源位 置方 向上的固定泄漏量情况下分别计算 u 钾、 压 强 P 、 温度 、 湍流动能 k 、 湍流动能耗散率和气体 浓度 c 等 8个变量的函数值． 数值计算采用 S I M． P L E算法， 采用 p h o e n i c s 软件在计算机上进行． 2 模拟结果分析 2 ． 1 泄漏源在 C方向上泄漏时的模拟浓度分布图 由模拟结果可以看出 图 1 ， 泄漏气体具有 向上的初始动 能在高度方 向上 泄漏 时， 由于压力 和速度都较大， 泄漏气体能运动到较高的高度， 然 后在重力作用下以射流轴线为中心， 向两侧扩散， 在有风的情况下 ， 由于大气风向与泄漏方 向垂直 ， 会使泄漏射流轴线 和主扩散 区域 向下 风 向偏转 ， 且风对泄漏气体有稀释和输运 的作用 ， 会 将泄漏 气体带到泄漏源的下风向且浓度降低 ， 因此 ， 随着 ■ H 0⋯ H o ㈣ ．抖 0。 ” 一 H _ 0 ” 一～一 一 曼曼嘲 舅| 图1 C方向上泄漏 Y 9 0 m平面上随风速变化的浓度分布图 F i g ． 1 C o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i n g o n p l a n e Y9 0 m c h a n g e a l o n g wi t h wi n d s p e e d wh e n l e a k a g e s o u r c e a t o r i e n t a t i o n c ● 1 “” 一 儿 一 一 一 州 一 砧 ● 维普资讯 第 2 期 肖淑衡等 厂区天然气泄漏扩散的数值模拟研究 7 1 风速的增大， 泄漏气体运动的高度逐渐降低且影 响的区域逐渐减小．从图上可以看 出， ／3 0 ． 5 m s 时泄漏气体影 响的区域最大 ， 在垂直方 向上 ， 泄漏源正上方的危险性区域 常温常压下体积浓 度在 5 ％ ～1 5 ％之问 的高度达到 2 0 m左右 ， 在水 平方 向上以泄漏源为中心 ， 上风 向约 1 ． 5 m， 下风 向约 3 m 以内的区域均 为危 险性 区域 ； 而 当 c v 1 7m s 5 ． 0 m s 时泄漏气体影 响的区域最小 ， 在垂直 方 向上 ， 泄漏源 正上方 的危险性区域的高度下降 到距地约 2 m左右 ， 在水平方 向上 以泄漏源为 中 心 ， 上风向约 0 ． 3 m， 下风 向约 1 ． 2 m 以内的区域 为危险性 区域． 2 ． 2 泄漏 源在 b方 向上 泄漏 时 的模 拟浓 度分 布图 e v 3 4m s f v 5 0m s 。 图2 b方向上泄漏z 0 ． 1 i n平面上随风速变化的浓度分布图 F i g ． 2 C o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i n g o n p l a n e z0 ． 1 m c h a n g e a l o n g wi t h wi n d s p e e d w h e n l e a k a g e s o u r c e a t o r i e n t a t i o n b 将泄漏源在 b 方 向上泄漏时的模拟结果输 出 并在x o y 平面上用等值线图表示 见图2和图3 ． 由模拟和分析结果可以看出 图2和图3 ， 泄 漏射流向下风 向扩散的同时会以射流轴线为 中心 向两侧扩散， 此时大气风向与气体泄漏方向一致， 由于风对泄漏气 体有稀释和输运 的作用 ， 会加速 泄漏气体 向泄漏源下风向的扩散且会使空问点泄 漏气体的浓度降低， 因此， 随着风速的增大， 空问 点处泄漏气体的浓度会逐渐降低， 且扩散影响的 区 域 逐 渐 减 小． 从 模 拟 数 据 可 以 得 出 ， 0 ． 5 m s 时泄漏气体影响 的区域最大 ， 在水 平方向上 ， 泄漏源射流轴线上从泄漏点 7 2 1 13 至区域的出口 2 6 0 m 都属危险性区域 体积 浓度在 5 ％ ～1 5 ％之问 ； 而当 5 ． 0 I n S 。 。 时泄 漏气体影响的区域最小， 在 ， 方向上扩散程度明 显减轻 ， 影响 的区域变小 ， 在 方 向上 ， 沿泄漏源 射流轴线从泄漏点 7 2 In 至 1 0 5 1 T I 处属危 险性区域． 2 ． 3 不 同方向上泄漏时空间点的浓度变化 图 以下所指的泄漏源位置和 。 、 b 、 c三个泄漏方 向均与 2 ． 2中说明的一致 ， 即泄漏源位置为 7 2 1T I ， Y 9 0 IT I ， 0 ． 1 1 T I ， 。方 向为平行于人 口指向 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 7 2 广州大学学报 自然科学版 第 6卷 8 0 l O 0 l 2 0l 4 0 l 6 0 l 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 f a 、 0 5m ． s 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5l o 01 0 5l 1 0 l 】 5l 2 0 l 2 5l 3 0 f d、 2 4m． S’ 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 I O 01 0 5I 1 0 l I 5 I 2 0I 2 5I 3 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 O 0 1 05 】 】 0 】 】 5 1 2 0 e 3 4 m s D V 5 0 r n s ’ 图3 b方向上泄漏 Z 0 ． 1 m平面上随风速变化的浓度等值线分布图 F i g ． 3 C o n c e n t r a t i o n i s o l i n e d i s t r i b u t i n g o n p l a n e Z0 ． 1 m c h a n g e a l o n g wi t h wi n d s p e e d w h e n l e a k a g e s o u r c e a t o r i e n t a t i o n b Y轴 负方 向， b方 向为垂 直于入 口指 向 轴 正方 向， C 方向为平行于入 口指向 z轴正方 向．其 中取 A点为泄漏源位置 即坐标为 7 2 i n ， Y9 0 i n ， z 0 ． 1 i n ， 分别针对在同一泄漏源不 同方 向上泄 漏时 ， 探针 A处 的浓度值随风速的变化曲线 来说 明泄漏方向对空间点的浓度变化影响． 泄漏源在不同泄漏方向上泄漏 时探针 A点处 浓度值随风速的变化如 图4所示． s O 0 『 1 5 11 3 岛 ．1 l 0 刀 lHj 世 雨 ．O O i 8 ．25 8 ． 6 5 ～“ ．O 0 8 ． 0 8 ⋯ 6 。 ，⋯． 、 渐降低的趋势， 但在 b 方向上泄漏时， 由于大气风 向与泄漏方 向一致且 A点 在泄漏 出 口断面上 ， 故 这种变化趋势不明显．可以得出 ， 随着空间点位置 与泄漏源位置之 间空 间距离 的增 大， 泄漏方 向的 改变对空间点处泄漏气体的浓度值影响会很大， 气体扩散的危险性区域也会发生明显的变化． 3 结 论 通过对数值模拟结果的分析 ， 得出以下结论 1 大气主导风的风速对气体扩散浓度和扩 散危险性区域有很 大的影响．以天然气泄漏的模 型为例， 由于风对泄漏气体有稀释和输运的作用， 随着风速的增大 ， 空 间天然气扩散 的危 险性 区域 体积浓度在 5 ％ ～ 1 5 ％之间 减小， 如文中等值 线图 所 模 拟 的 条 件 下 ， 在 方 向上 ， 风 速 0 ． 5 I l l S 比 5 ． 0 I l l S 一条件下危险性区域大 1 5 5 I l 1 ． 2 泄漏方 向对空间天然气的浓度 和危 险性 区域有很大的影 响．随着空间点位置与泄漏源位 置之间空间距 离的增 大， 泄漏方 向的改变对空 间 点处泄漏天然气的浓度值影响会很大， 气体扩散 的危险性区域也会发生明显的变化． 维普资讯 第 2 期 肖淑衡等 厂区天然气泄漏扩散的数值模拟研究 7 3 3 静风时 ， 随着时 问的增加 ， 空 问各点 的浓 度都有升高的趋势 ； 在稳定风流中， 空 问各点的浓 度值随时问变化不明显 ， 可认为是稳态的． 泄漏的天然气在下风 向扩散得最快 ， 在现场 一 旦发生天然气泄漏， 应综合考虑泄漏源的方向 和该地点当时的风向、 风速等因素， 及时准确预测 泄漏气体可能扩散到的危险区域 ， 做好应对措施． 参考文献 [ 1 ] T i n g Wa n g ， T a r a C ．Hu t c h i n s o n ，G a s l e a k a g e r a t e t h r o u g h r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e a r w a l l s N u m e r i c a l s t u d y[ J ] ．N u c l e a r En g i n e e r i n g a nd De s i g n，2 00 5，2 35 2 2 46 2 26 0． [ 2 ] S u b h a s h i n i G h o r a i ， K D P N i g a m．C F D m o d e l i n g o f fl o w p r o f i l e s a n d i n t e r r a c i a l p h e n o me n a i n t w o p h a s e fl o w i n p i p e s [ J ] ． Ch e mi c a l En gi n e e r i n g a n d P r o c e s s i ng ，2 0 06， 45 5 5- 65． [ 3 ] 孟志鹏 ， 王淑兰， 丁信伟． 可爆性气体泄漏扩散时均湍流场的数值模拟[ J ] ． 安全与环境学报 ， 2 0 0 3 ， 3 3 2 5 2 8 ． MENG Zhi pe n g，W ANG S hu． 1 a n， DI NG Xi n we i ． Nu me r i c a l s i mul a t i o n o f h o mo t u r bu l e n t f i e l d o f e x pl o s i b l e g a s d i s pe r s i on J ] ． J o u r n a l o f S a f e t y a n d E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 3 ， 3 3 2 5 - 2 8 ． [ 4 ] B l a c k m o r e D R， He r ma n M N， Wo o d w a r d J L ．H e a v y g a s d i s p e r s i o n m o d e l s [ J ] ．J o u r n a l o f Ha z a r d o u s M a t e r i a l s ， 1 9 8 2 ， 6 1 07 1 28． [ 5 ] 赵振东 ， 余世舟， 钟江荣．地震次生毒气泄漏与扩散的数值模拟与动态仿真 [ J ] ．地震工程与工程振动， 2 0 0 2 ， 2 2 5 1 3 7 1 4 2 ． Z HA O Z h e n d o n g， YU S h i z h o u， Z HONG J i a n g r o n g ．Nu me r i c a l s i mu l a t io n a n d d y n a mi c e mu l a t io n o f p o i s o n o u s g a s l e a k a g e a n d d i f f u s i o n i n d e s t r u c t i v e e a r t h q u a k e [ J ] ．E a h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d E n g i n e e r i n g V i b r a t i o n ， 2 0 0 2 ， 2 2 5 1 3 7 1 4 2 ． [ 6 ] 梁栋， 张海英．建筑环境中有害气体扩散及分布的分析[ J ] ．广州大学学报， 2 0 0 4 ， 3 4 3 3 8 3 4 1 ． L I A N G D o n g ， Z H A N G H a l y i r l g ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f t h e p o i s o n o u s g a s d i ff u s i o n p r o c e s s a r o u n d t h e b u i l d i n g s [ J ] ． 2 0 04 ， 3 4 3 3 8 3 4 1 ． [ 7 ] P a t a n k a r S ．V．N u m e r i c al h e a t t r a n s f e r a n d fl u i d fl o w[ M] ．H e mi s p h e r e P u b l i s h i n g C o r p o r a t i o n a n d Mc G r a w H i l l B o o k Co mp a n y， 1 9 80． [ 8 ] 金忠青．Ns方程的数值解和紊流模型[ M] ．南京 河海大学出版社， 1 9 8 9 ． J I N Z h o n g q i n g ． N u m e r i c s o l u t i o n o f N S e q u a t i o n a n d t u r b u l e n t m o d e l [ M] ． N a n j i n g H e h a i U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 8 9 ． Nume r i c a l s i mul a t i o n o f n a t ur a l g a s l e a k a n d d i ffus i o n i n pl a nt a r e a XI AO S h u h e n g ．L I ANG Do n g ’ 1 ．S c h o o l o f E n g i n e e r i n g ， S u n Y a t s e n Un i v e r s i t y ， G u a n g z h o u 5 1 0 2 7 5 ，C h i n a ； 2 ．S Y S U B P L N G E d u c a t i o n T r a i n i n g a n d R e s e a r c h C e n t e r ，S u n Ya t s e n U n i v e r s i t y ，G u a n g z h o u 5 1 0 2 7 5， C h i n a Ab s t r a c t W i t h a n e y e t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f d e l e t e r i o u s g a s l e a k a nd d i f f u s i o n， we s i mu l a t e t h e h a z a r d o u s l i g h t g a s n a t u r a l g a s l e a k a n d d i f f u s i o n i n p l a n t a r e a ．T h e e f f e c t s o f w i n d s p e e d ，w i n d w a r d ，s u s t a i n i n g t i me ， o r i e n t a t i o n o f l e a k a g e s o u r c e o n c o n c e n t r a t i o n fi e l d a n d f a t a l n e s s r e g i o n o f n a t u r a l g a s l e a k a n d d i f f u s i o n i s s t ud i e d． I t s h o ws t ha t e f f e c t o f wi n d s p e e d o n c o n c e n t r a t i o n fie l d a n d f a t a l n e s s r e g i o n a r e n o t a b l e，i n t h e c o n di t i o n o f t h e i s o l i n e c h a r t．t h e d i s c r e pa n c y o ff a t a l n e s s r e g i o n i s 1 5 5m b e t we e n 0． 5 m s～ a n d 5． 0 m 。s ～ o n d i r e c t i o n． Ke y wo r dsn a t ur a l g a s；l e a k a n d d i f f us i o n；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；f a t a l n e s s r e g i o n 【 责任编辑 谢桂英】 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载