扩散模拟（精选九篇）
扩散模拟 篇1
随着社会的发展,人们日益关注爆破中粉尘对环境的污染问题[1]。工程爆破对大气环境的影响表现在两个方面:一是炸药中的组份被氧化并最终以有毒有害的大气污染物形式释放出来,即爆破有毒气体;另一方面则是由于爆破行为与其行为对象及相关环境相互作用的结果,即爆破扬尘。爆破产生的扬尘主要来源于两个方面:其一来源于爆破对象;其二则来源于爆破对象周围的环境。爆破过程中介质被破碎产生小同粒度的粉尘和碎块,在爆生气体的作用下,四处溢散,产生大量的扬尘[2]。
扩散模型是一种预测性模型,扩散模型可以很好的建立起有组织排放的尘源与大气环境质量之间的定量关系,主要用于估算点源、线源、面源等开放源排放污染物的空间分布,判断各种污染源对受体大气颗粒物质量浓度的贡献量[3]。通常将爆破烟尘的研究视为点源扩散,传统研究从微观角度,如粒子受力、粒子系统角度,对粉尘颗粒物进行受力分析,讨论粉尘运动过程基础上分别建立爆破粉尘在铅直方向、水平风向和水平横风向的动量运动方程,运用气固两相流和烟尘的扩散理论,分别建立固体颗粒、有害有毒气体的运动和扩散方程的数学模型[4],或者运用爆炸动力学、空气动力学、流体力学等多门学科知识进行分析和研究爆破中粉尘产生的过程及其复杂的运动规律[5]。数学模拟是公认的能够定量评价有害物质释放的后果的重要工具[6],数值模拟的低成本、短时间耗费以及高度可重复性其他研究手段的最终成果也以数学模型及其对应的代码的开发和应用为标志[7,8]。本文试从宏观角度运用数学模拟研究爆破云团的扩散。
1 爆破云团扩散
1.1 爆破云团扩散过程
现场观测和前人研究成果表明,爆破烟尘在开放的大气空间中的运动过程分为冲击运动、蘑菇云形成和扩散运动三个阶段[4]。
在冲击运动阶段,粉尘受高压气流和爆生气体为主的气浪的作用,其扩散速度很快,可以达到7～8m/s瞬间扩散范围达几十米甚至上百米[9]。烟尘以颗粒或颗粒团的形式,在空气中靠惯性运动。气体内部流动相对比较规则,边缘的湍流交换尚未发展,轮廓清晰。
蘑菇云阶段由于在整个运动过程中,爆生气体由于垂直方向静压减小和自生湍流作用不断卷吸新鲜空气,致使上升气团质量不断增加,体积不断膨胀,内外温差和上升速度都显著降低。经过一段时间后,气体膨胀速度超过粉尘颗粒运动速度,逐渐成为污染气团外沿物质,此时形成蘑菇状烟尘云[4]。
在云团扩散运动阶段中,云团上升到一定高度后,气体的温度与周围大气温度逐渐相近,周围空气中的湍涡不断侵入到云团中来,使气团不断破裂解体,但此时气体抬升较为缓慢,逐渐变平,慢慢扩散,最终消失于大气中。
爆破烟尘完成冲击运动阶段和蘑菇云运动阶段的时间一般为2～3s,时间是很短的,可以认为爆破烟尘颗粒物在瞬间排放到大气中,进入扩散运动阶段之前的烟尘污染范围相对其扩散后的污染范围是很小的,最终决定烟尘波及范围主要是扩散阶段的贡献[4,10]。
扩散运动较为复杂,具体包括以下内容[11,12,13]。①重力沉降:气云初始动量消失后,重力占主导地位。由于云团与周围空气间的密度差,导致重气塌陷,沿地表面拓展,引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大。此阶段对云团的外形尺寸、空气卷吸及浓度分布起支配作用的是由重力塌陷引起的湍流,大气湍流起辅助作用。②空气卷吸:分为顶部空气卷吸和侧面空气卷吸。初始阶段的空气卷吸主要是侧面卷吸,这是因为此时引起空气卷吸的主要原因是重力沉降引起的湍流;随着时间的推移,重力沉降引起的湍流逐渐减弱,大气湍流又开始起主导作用,此时则会引起空气顶端的卷吸。整个空气卷吸则是由这两部分之和。③云团放热:由于爆炸是能量释放的过程,在冲击运动阶段和蘑菇云形成阶段,云团卷吸大量空气,能量交换还未充分完成,云团与周围环境间还存在一定温度差异。④大气湍流扩散:随着云团的稀释冲淡,大气湍流对云团的扩散起支配作用。在爆生气体膨胀运动后期,由于卷吸大量的新鲜空气,可以近似认为烟气的性质同于周围空气。在有风环境中,云团的运移受剪切力的影响。接近地面的云团密度较大,运移缓慢,而云团上部由于密度较小,其运移速度接近风速。
1.2 爆破云团模型的判定
研究危险物质扩散的方法主要有现场试验、物理模拟、和数值模拟[8],这些手段都是以理论分析和计算为基础的。这三种方法互有长短,实际研究中最好综合运用,但鉴于数值模拟的低成本、短时间耗费以及高度可重复性,数值模拟成为此类研究中被最广泛使用的方法[7,14]。
数学模型依据建模原理和复杂程度的不同可分为列线图模型、中间模型和计算流体力学模型[15]等。中间模型是指其复杂度介于列线图模型和三维计算流体力学模型、拉格朗日粒子模型之间的一类模型,其中只有箱模型适用于模拟瞬时释放的重气形成的地面烟团的扩散行为。箱模型是指假定浓度、温度和其他场在任何下风横截面处为矩形分布或相似分布(如高斯分布)等简单形状。该类模型可以预报气云的总体特征,如平均半径、平均高度和平均气云温度,而不考虑其在空间上的细节特征。箱模型具有概念清晰,计算量小等特点。箱模型对于有风和无风的天气情况都适用[16]。
粉尘浓度表示方法有两种,一种以单位体积空气中的粉尘重量(mg/m3)表示;另一种是用单位体积空气中的粒子数(粒子数/m3)表示。粉尘浓度直接决定粉尘对人体的危害程度,粉尘浓度愈高,则危害愈大。分散度愈高则粉尘粒子沉降愈慢,在空气中飘浮的时间愈长。大气颗粒物是主要的环境污染物质,其许多重要的性质(如体积、表面积、质量、沉降速度)都与大气颗粒物的大小(粒径)有关[17]。但考虑到现场作业的复杂条件和危险性以及模型的精度的问题,本文以粉尘重量来表示,并未考虑粉尘的分散度。
笔者所采用的模型为重气云团在扩散过程中所采用的箱模型。化学云团在运用此模型时,首先需要判断泄漏所形成的云团是否为重气云团,同样爆破云团也需进行判断。爆破后生成气化物包括碳氧化物、硫氧化物、氮气等,总体相对分子质量与空气相对分子质量相差无几,为简化运算,粉尘颗粒间气体近似认为为空气。爆破粉尘具有颗粒小、质量轻的特点,云团粉尘密度小于周围空气密度,但是固体颗粒并不像气体分子那样为连续体,粉尘颗粒间距离远远大于气体分子距离,所以爆破云团密度为粉尘密度与空气密度之和。通过分析可知,爆破云团符合云团密度大于周围空气密度这个条件,并且在大多数环境条件下,满足大于等于临界Richardson数的条件,笔者认为此模型运用于爆破云团是合适的。使用重气扩散模型进行扩散分析,需要做一些改进,Δρ为粉尘浓度,实际生活中多以mg/m3来计算,考虑到固体的特殊性和模型的计算精度,本文在计算模型时,凡是涉及到粉尘的均以g为单位进行计算,如Δρ为粉尘密度,以g/m3为单位进行计算。以Δρ=0.001 g/m3作为判断收敛的标准,对模型来说仍是适用的。
2 爆破云团扩散控制微分方程
箱模型前提假设是理想化的,它必须假设速度和浓度的自相似分布,并且通常涉及不连续的界面,因而在模拟一些特殊的扩散过程时具有很大的不确定性,尤其并不适于复杂地形条件下的模拟。但是箱模型具有概念清晰的特点,求解方便,计算量相对较小,就非复杂条件下的扩散预测结果和实验结果的一致性而言,并不比复杂的三维模型差。因此,该类模型在重气泄漏扩散的危险评价得到了广泛的应用,其结果已成为应急咨询和安全设计的重要依据之一[7]。
假设云团为正立的坍塌圆柱体有以下几点好处[11]:①数学上容易处理;②大多数因爆炸或快速泄漏形成的云团在无风的环境中近似于圆柱形。虽然风会改变云团的外形,但假设云团呈圆柱形来进行研究仍然很有用。该模型的基本假定有[11,18]:①云团为正立的坍塌圆柱体,一般情况下假设圆柱体初始高度等于初始半径的一半,考虑到爆破冲击动力对云团高度的影响,参考文献[19],初始高度和初始半径的采取1:1的关系;②在云团内部,温度、密度和气体浓度等均匀分布;③重气云团中心的移动速度等于风速。基本的烟团参数如半径、质量和热焓等通过对基本的关于时间的常微分方程组的数值积分得到,基本方程组代表的是烟团的水平扩展、质量与能量守恒,其他烟团参数通过附加方程来计算[7]。
箱模型的基本方程包括以下式(1)、(2)、(5)。
气云的径向扩展速度:
空气卷吸质量变化率为:
其中Ue是顶部卷吸速率,是Richardson数和纵向湍流速率Ul的函数:
由于卷吸空气的作用,云团温度变化率为:
式中,k重力沉降常数,g重力加速度,R、h、T、Cp、Qc分别是烟团半径、高度、云团内部温度、云团的比热容、云团放热速率;Ue顶部卷吸速率,U1侧面卷吸速率,a*侧面卷吸常数,a’顶部卷吸常数,ρa、a、Cpa分别是周围空气密度、被卷吸的空气质量和M空气的比热容;V*摩擦速率,ΔTa云团与卷吸空气的温差。
3 数值模拟实例验证
3.1 初始条件
爆破的粉尘排放量与爆破方法、爆破技术、炸药用量、矿岩理化性质和气象条件等众多因素相关。在运用此模型时,需要参考文献[1,6]等,进行粉尘量及烟云体积的估算。人为估算可以充分考虑各种影响因素,但易受主观因素的影响,所以需要综合参考多家意见。
在一次工程项目中,某次露天爆破使用240kg粉状铵梯炸药,根据文献,依据现场爆破条件,估算初始条件为:初始质量20000g,初始体积18000m3,初始压力101325Pa,空气温度295K。大气风速、风向、大气稳定度、湿度、地面粗糙度、太阳辐射等环境参数会影响扩散后的浓度及分布范围。按帕斯奎尔稳定度分类法,爆破期间的大气稳定度属E级,大气扩散能力较弱;现场地面地势平坦,无障碍物。
3.2 数值模拟
云团上升到一定高度后,气体的温度与周围大气温度逐渐相近,在模拟过程中云团放热可以忽略不计。带入经验参数,求解上述微分方程,得到了云团的外形尺寸(半径、高度)和空气卷吸量随时间的变化曲线图。
从图1可知在云团扩散初始阶段,云团半径迅速增大,但随着大量空气的卷入,斜率逐渐降低,云团内部密度逐渐降低。图2云团高度的变化过程显示了云团受大气湍流支配的变化过程,从图2可知爆破云团高度扩散初始阶段变化并不是特别明显,这是因为云团内部的稳定密度分层在一定程度上抑制了空气的卷吸,导致高度变化相对较小。从图3可知,空气卷吸质量斜率越来越大,随着Δρ/ρa→0,扩散主要由大气湍流控制,云团体积的增加仅仅由空气卷吸引起。与现场实测数据相比较后认为该种方法模拟爆破烟尘运动是可行的,且比较接近实际情况。
虽然本文所采用的箱模型具有较高的精确度,但与实际值之间有一定的偏差,其原因主要有:①模型中常数的取值往往为一区间,在对实际扩散过程进行数值模拟时很难合理选取,并且多借鉴重气扩散方面的数据经验值,在爆破方面几乎无先验值可参考;②数学模型本身就是对实际情况的一种近似,对爆破云团的机理和行为研究有限;③爆破云团数据方面,因机理复杂,现场作业危险,研究较少,无专门数据库,各种数据参差不齐,难以做系统的研究。今后人们会越来越重视空气质量,作业时必须考虑对空气质量的影响,各种评价和研究模型时也将在实际生产中得到广泛应用。如果减少经验常数或减少经验常数对模拟结果的影响,此数学模型可以在一定程度上提高爆破云团扩散模拟精度。
4 结论
本文从整体角度模拟了爆破云团的扩散过程,箱模型能较好地反映爆破云团的扩散行为,可以满足实际环境评估与预测的需要。
1)数学模型本身就是对实际情况的一种近似,本文只是尝试性的应用。常数的取值对结果有一定影响,与实际会存在一定偏差。如果建立理化参数信息库,各种经验常数则得以继续确定,模型还能继续改进以能更好的模拟爆破云团扩散过程。
2)一般箱模型只能计算平坦开阔地形上的重气扩散问题,一些复杂的箱模型如应用于斜坡的箱模型、存在障碍的情况下的箱模型等,可以模拟复杂条件的爆破,如城市拆除爆破等。
3)很多数学模型仅仅成为少数专家和专业研究人员在研究机构才可以操作的对象,有必要加强基于特定数学模型的全过程统一界面模拟程序的开发。
条件矩模型模拟湍流扩散燃烧 篇2
对条件矩模型模拟湍流扩散燃烧进行了初步的研究.在条件矩模型中,标量的.统计是以混合分数为条件的,条件平均使得非线性化学反应源项可以在一阶条件下被封闭.模拟结果和美国Sandia国家实验室的实验结果对比表明:对温度、主要组分浓度的预报结果是令人满意的,NO浓度的预报在趋势上也符合实验结果.误差分析表明,提高标量耗散率的预报精度和二阶条件矩模型都将有助于推动条件矩模型的发展.
作 者：邹春 郑楚光 周力行 作者单位：邹春,郑楚光(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074)
周力行(清华大学工程力学系,煤的清洁燃烧国家重点实验室,北京,100084)
室内燃气泄漏扩散模拟分析 篇3
关键词：室内燃气,泄漏,扩散,数值模拟
随着燃气越来越广泛地被使用,使得燃气事故时有发生[1]。根据统计结果显示[2],燃气泄漏是目前室内主要的安全隐患。
国内外科学家和工程师对可燃气体的泄漏过程做了大量研究,已取得了许多成果。吴晋湘等基于双尺度湍流模型对室内可燃气体泄漏进行了研究并得出了其经验公式[3];吴国忠等提出检测管道泄漏的方法[4],及模拟管道泄漏的温度场[5]。
本文利用CFD数值计算方法,建立室内燃气的物理模型和传热数学模型,考虑泄漏口位置等因素,模拟和分析室内燃气扩散速度和浓度分布情况。
1 模型建立
1.1 物理模型
图1为居民楼的简化平面图,其几何尺寸为10×3×8.5 m。燃气管道位于厨房,管径为20 mm,模拟时以甲烷为介质。
1.2 数学模型
1.2.1 连续性方程
1.2.2 动量方程
1.2.3 能量方程
1.2.4 组分方程
1.3 边界条件及方案
模拟方案如表1所示。
本文假设厨房门关闭、开启两种情况,泄漏口在墙角处,泄漏口的压力为103 325 Pa,泄漏的初始速度为0.08 m/s,室内环境压力为101 325 Pa。
2 计算结果及讨论
方案1中,点火源1(0.3,6.7)在659 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图2。
如图2所示,厨房门开启,燃气从泄漏口向客厅扩散,点火源1的浓度变化较快,当扩散进行292 s后,浓度开始迅速升高。在298 s左右时点火源点火源达到爆炸极限。
方案2中,点火源2(4,4.3)在16 180 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图3。
如图4所示,厨房门开启时,泄漏口垂直方向上和厨房内速度较大,客厅中距离厨房门较近速度比较大。在14 316 s时点火源达到爆炸极限。
方案3中,点火源1处在507 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图4。
如图4所示,因为点火源1距离泄漏口较近,所以很快就能达到爆炸极限。厨房门关闭,燃气只能从厨房门的缝隙向客厅泄漏厨房内燃气的浓度积聚较快。当扩散进行287 s后,浓度开始有所变化。在295 s左右时点火源达到爆炸极限。
方案4中,点火源2处在95 449 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图5。
由图5所示,厨房门关闭,燃气泄漏只能通过厨房门缝隙向客厅以及外面扩散,由于扩散角度的变化时燃气更容易进入客厅和卧室。点火源2在客厅,从厨房门缝隙泄漏的燃气又向着门窗缝隙处扩散,所以速度较小。
3 结论
本文对居室内燃气泄漏后扩散进行模拟,并对模拟结果进行分析。
(1)点火源1的浓度变化较快。
在295 s左右时点火源达到爆炸极限。
(2)厨房门开启时,点火源2在14 316
s时点火源达到爆炸极限;厨房门关闭时,点火源2达到爆炸极限的时间很长。
参考文献
[1]张一先,张降.管道煤气泄漏事故评估的不确定性.煤气与热力,2000;20(1):9—13
[2]李英利,罗振洲.浅谈室内燃气系统存在的问题及对策.上海煤气,2007;30(12):22—25
[3]吴晋湘,贾云飞,周波,等.室内可燃气体泄漏扩散的数值模拟.安全与环保,2007;31(10):42—44
[4] Wu Guozhong,Song Fenfen,Li Dong.Infrared temperature measure-ment and simulation of temperature field on buried pipeline leakage.International Conference on Pipelines and Trenchless Technology 2009:203—205
扩散模拟 篇4
摘要：燃气在给人们的生活和生产带来极大方便的同时，也由于其易燃、易爆、易泄漏的特性，也给人们的生产生活带来了极大的安全隐患，对不同的气象条件、地形条件、环境条件的扩散机理的掌握现在仍然是处于不断探索中的问题。
引言：本文采用CFD软件的一种fluent，对燃气在受限空间内多因素耦合（温度，湿度，风速，泄漏率）条件下的泄漏进行模拟，结合实验条件给定边界条件和初始值，模拟求解出不同初始条件下的燃气泄漏扩散规律和不同空间点上的燃气浓度分布图；并以试验的实测值检验CFD模拟的准确性，这对应急救援工作的有效实施将提供很大的帮助。
关键词： 受限空间 天然气 多因素耦合 CFD模拟
中图分类号： P618.13 文献标识码：A 文章编号：
1.Fluent数值模拟
对多因素耦合作用下试验空间的燃气泄漏扩散机理进行Fluent数值模拟，因为受限空间内燃气的泄漏扩散模拟时间比较短，在这段时间受限空间的温度变化不大，即是说密度变化不大；由于研究的是不同的环境温湿度下燃气的泄漏扩散机理，又是在受限空间内，所以燃气的扩散是自然对流和强迫对流都存在的湍流流动。所以，本文对受限空间内燃气泄漏扩散的的物理模型可做如下假设[1]：
①常温、低速、不可压缩流体流动；
②符合气体状态方程的等压流动；
③符合boussinesq假设；
④自然对流和强迫对流都存在的湍流流动；Gambit建模与网格划分
实验台架为长*宽*高=2.5m*2m*2.6m的长方体，燃气从管道上的一小孔D=1.5mm的泄漏口泄漏进房间，房间顶上设置有自然通风口1，长*宽=0.18m*0.18m，侧面也有可以设置有自然通风口2，自然通风口2的长宽比可以自动的调节，以实现试验功能，全开情况下长*宽=1.2m*3.8m，Gambit对物理模型网格划分的好坏直接影响到Fluent的数值计算[1]，网格划分有以下三点要求：
网格不能太大，也不可太小；
网格大小不能有极变；
网格不能为负；
Gambit中，建立的物理模型如图1.1所示：
图1.1 物理模型的结构示意图
在本文中，在燃气进口处由于变量变化非常剧烈，对这部分的网格划分需要进行加密[2]，需要反复的调试与比较。
在Gambit中，指定了质量入口(mass_flow_inlet), 压力出口(pressure_out), 壁面(wall)几个类型的边界条件，在fluent中，需要对质量入口边界条件进行UDF自定义，把写好的程序[3]导入Fluent就可以准确的反映质量入口边界随时间的动态泄漏情况了。
根据试验条件，对边界条件做如下设置：
Inlet1:质量入口，mass-flow-inlet.c;Outlet1:压力出口，默认；
燃气温度：276K;模型区域温度：280.6K;模型区域湿度：81.8%;
模拟结果
按照上面的设定值对燃气的泄漏扩散进行CFD模拟计算，为了便于比较，截面的燃气质量浓度随时间的变化进行分析，模拟浓度分布结果如下图3.1-图3.5所示：
图3.1 秒 图3.2 秒
图3.3 秒 图3.4秒
从上面的模拟结果可以看出，燃气从小孔泄漏出来是直接以射流的形式往模型区域的上部空间走的，首先布满模型区域的上部空间，然后主要沿着模型区域向其他区域进行扩散，这主要是因为燃气是轻质气体，在浮升力和本身向上的泄漏速率的影响下而向上扩散，所以在模型区域内上部空间的燃气浓度要大于下层空间
另外对模型实验区间的监测点模拟计算，下面只给出A监测点的值，其坐标是（1100，1000，2300），其燃气体积分数随时间的变化如下图3.5所示：
图3.5测点A燃气的体积分数随时间的变化
模拟值与实测值的比较
下面是测点A的模拟值和实测值的对比，可以由下图进行描述：
图4.1测点A燃气浓度的实测值与模拟值的体积分数随时间的变化对比
误差分析：
对测点A的燃气浓度实测值与模拟值的对比分析可以看出，CFD模拟三个测点的燃气浓度增长趋势和实测增长的情况相似，都是随着时间的增加以较快的速度增长，总的来讲还是可以接受，模拟值与实测值之间也存在着误差，通过分析可知，误差的来源主要来自于以下几个方面：
①误差来自求解过程；CFD计算是数值计算，并不是精确计算，所以计算过程本身就存在误差。
②建模情况不可能完全是和模型实验情况一样，这也是误差来源的一个方面。
③误差来自数据采集系统，如仪器的测量误差等。
结论和展望
①应用CFD软件模拟求解燃气在试验环境条件下泄漏的扩散过程；模拟监测点处燃气浓度随时间的变化趋势和模拟值的范围与实测值主体一致，其模拟结果的直观形象为应急预案工作的开展可作为参考；
②本论文的结论是在实验室条件下所得，对本结论在工程领域的应用还需要进行进一步的验证和研究；
参考文献：[1] 帕坦卡 S V.传热与流体流动的数值计算.张政 译.科学出版社.1984
[2] 王福军.计算流体动力学分忻――CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社.2004,9
[3] 张毅坤等 编著 C语言程序设计教程 西安交通大学出版社,2004
受限空间内甲苯扩散的数值模拟研究 篇5
对受限空间内的甲苯蒸气扩散进行了数值模拟, 分析了在受限空间内甲苯蒸气的扩散规律及特点, 对比三种通风条件下甲苯蒸气的扩散规律及其浓度变化情况。
1 建立模型
1.1 建立物理模型
利用Gambit建立物理模型。建立3种物理模型, 如图1所示。受限空间的尺寸为1.5m×1.5m×1.5m, 甲苯蒸气入口为处于底面中心直径为0.2m的圆。模型a:底面甲苯蒸气进口, 没有出口, 相当于受限密闭空间;模型b:底面甲苯蒸气入口, 中心位于 (1.5, 0.75, 1.2) 尺寸为0.2m×0.2m的方形出口, 相当于受限空间内留有小窗口;模型c:底面甲苯蒸气入口, 中心位于 (0, 0.75, 0.1) 尺寸为0.2m×0.2 m的方形空气进口, 中心位于 (1.5, 0.75, 1.2) 尺寸为0.2m×0.2m的方形出口, 相当于受限空间内形成通风环境。
1.2 网格划分
网格划分直接影响着计算速度和计算结果的准确性, 因此在网格划分时必须进行严格的计算。模型网格采用四面体/混合网格划分方法, 模型a划分的网格数为230 690, 最大网格尺寸为3.784 793×10-4m3, 最小网格尺寸为1.564 396×10-8m3;模型b划分的网格数为393 526, 最大网格尺寸为3.943 132×10-4m3, 最小网格尺寸为1.851 648×10-8m3;模型c划分的网格数为565 240, 最大网格尺寸为3.711 658×10-4m3, 最小网格尺寸为1.450 039×10-8m3。
1.3 数学模型
研究甲苯蒸气在受限空间内的扩散情况, 挥发过程中空间内温度保持不变, 所以需要指定质量、动量、能量守恒方程以及组分输运方程。在指定组分输运模型时选择相应的物质混合物并在定义物质的物理性质时设置扩散系数等参数。
1.4 边界条件设置
1.4.1 甲苯挥发速度
为了保证模拟情况与实际挥发情况相一致, 依据受限空间模型1∶1完成甲苯挥发实验, 测定甲苯挥发速度。实验所用天平型号为CP224S。密闭空间尺寸为1.5m×1.5m×1.5m, 蒸发皿直径为0.2m, 位于底面中心处。实验温度及湿度为17℃和77%。利用天平记录蒸发皿中甲苯质量的变化情况, 测得甲苯的挥发速度为0.004 57g/min, 即7.616 67×10-8kg/s, 以此作为甲苯挥发速度的边界条件。
1.4.2 其他边界条件
模型a:壁面温度保持300K不变, 甲苯蒸气的温度为300K;模型b:壁面温度保持300K不变, 甲苯蒸气的温度为300 K, 出口为自由出口;模型c:壁面温度保持300K不变, 甲苯蒸气的温度为300K, 出口为自由出口, 空气进口为速度进口, 速度大小为5m/s。
1.5 求解方法控制
设定好边界条件后, 就可以设定具体求解方式。压力与速度的耦合算法采用SIMPLE算法, 时间选项为非稳态, 采用k-ε模型描述流体的湍流流动, 壁面为标准壁面函数。启用组分运输模型。初始化使空间充满空气, 然后纯甲苯蒸气从进口进入受限空间, 开始计算, 收敛精度为10-9。
2 数值模拟结果分析
2.1 受限密闭空间甲苯扩散情况
受限密闭空间中心点 (75, 75, 75) 的甲苯摩尔浓度随时间的变化情况, 如图2所示。
从图2可以看出, 开始时甲苯摩尔浓度急剧升高, 然后稳定增加。拟合得到甲苯摩尔浓度y与时间t的关系如式 (1) 所示, 拟合r值为0.998 36。
甲苯在受限密闭空间连续挥发420min之后, 在x=0.75m、z=0.3m平面上的摩尔浓度, 如图3、图4所示。从图3和图4可以看出, x=0.75 m平面上甲苯的摩尔浓度左右对称, 在空间中下部浓度比上部大, 与甲苯密度比空气重的性质相一致。甲苯在挥发后会向下沉积, 随着时间推移逐渐充满空间。在纵向上分析, 可以看出挥发源左右的浓度梯度比较平均, 说明挥发过程比较稳定, 甲苯蒸气浓度逐层分布的特点十分明显。z=0.3m平面上的甲苯摩尔浓度从中心到壁面呈现先降低再升高然后降低的分布, 说明甲苯在挥发时先从挥发源向上, 到达一定高度后向四周扩散沉积, 造成挥发源上方的甲苯蒸气浓度低于四周甲苯蒸气浓度。
2.2 受限带窗口空间甲苯扩散情况
受限带窗口空间中心点 (75, 75, 75) 的甲苯摩尔浓度随时间的变化情况, 如图5所示。
从图5可以看出, 开始时甲苯浓度急剧升高, 然后稳定增加。拟合得到甲苯浓度y与时间t的关系如式 (2) 所示, 拟合r值为0.993 54。
甲苯在受限带窗口空间内连续挥发420 min之后, 在x=0.75m、z=0.3m平面上的摩尔浓度, 如图6、图7所示。从图6、图7可以看出, 在x=0.75m平面甲苯蒸气摩尔浓度仍然是逐层分布, 但浓度梯度较小。而在z=0.3m平面上中心位置的摩尔浓度较高, 靠近右边窗口的位置摩尔浓度较低, 角落的摩尔浓度最高, 整个摩尔浓度分布呈现环状。
2.3 受限通风空间甲苯扩散情况
受限通风空间中心点 (75, 75, 75) 的甲苯摩尔浓度随时间的变化情况, 如图8所示。从图8可以看出, 甲苯摩尔浓度一直维持在3×10-6mol/L上下, 低于以上两种情况。说明在通风条件下, 甲苯挥发更快, 更不容易发生聚集。
甲苯在受限通风空间内连续挥发420min之后, 在x=0.75m、z=0.3m平面上的摩尔浓度, 如图9、图10所示。从图9、图10可以看出, 在x=0.75m平面上, 甲苯摩尔浓度很小, 只在挥发源附近摩尔浓度稍高。在z=0.3m平面上可以看出从左向右摩尔浓度越来越低, 与通风方向一致, 而在上下两边壁面摩尔浓度较大。所以当存在通风条件时, 在风向方向上甲苯摩尔浓度较低, 且随着风向摩尔浓度逐渐减小, 而在通风两侧, 摩尔浓度较大, 不易被风带走。
2.4 三种不同通风条件对比
在三种不同通风条件下, 中心点的摩尔浓度对比情况如表1所示。
从表1可以看出, 随着通风条件的不断改善, 同一时刻对应的甲苯的摩尔浓度不断降低, 且降低幅度较大。从密闭条件到带窗口条件, 甲苯摩尔浓度降低10倍;从带窗口条件到通风条件, 甲苯摩尔浓度降低50~100倍。因此, 可在甲苯储存时设置高低通风口, 保持通风条件, 一旦发生泄漏, 有利于甲苯的扩散。
3 结论
(1) 甲苯泄漏后会在泄漏源附近形成气云, 向上挥发, 挥发到一定高度后在重力作用下向下沉积, 然后由中心向四周扩散。
燃料车内氢气泄漏扩散数值模拟研究 篇6
1 理论方法
基于FLUENT软件的物种传输与反应模块对车内氢气的泄漏扩散进行模拟分析。采用的控制方程与几何模型如下:
1.1 湍流控制方程
采用Realizable k-ε模型对物质的传输进行计算。模型中关于k、ε的传输方程为紊动能k方程:
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耗散率ε方程:
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其中,C1ε,C2,σk和σε是传输耗散常数;Gk表征由于均速度梯度而产生的湍流动能源项;Gb表征由于浮力产生的湍流动能源项;γM表征在可压缩湍流中波动扩张引起的耗散项;η为有效因子;ρ由可压缩气体状态方程控制。
在该模型中湍流黏性μt计算式为:
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式中,系数Cμ为变量,由主应力、主旋转张量、旋转角速度、k、ε决定。
1.2 扩散控制方程
通过对物种(氢气与空气混合气体)传输扩散守恒方程的求解,能预测i物种的质量含量γi,其物种传输扩散方程如下:
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其中,Si为用户定义而产生i物种的速率;Ji为i物种的质量扩散速率。
在湍流流动中通过以下形式求解质量扩散,其表达式为:
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其中,μt为湍流黏度;Sct为湍流施密特数。
1.3 连续性控制方程
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1.4 动量控制方程
在惯性(非加速)坐标系中i方向上的动量守恒方程为:
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式中,p是静压,Pa;Tij为偏应力张量。
1.5 能量控制方程
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式中,k是导热系数,Wm-1·K-1;(Tij)eff为有效偏应力张量;E是总能,J[11,12]。
1.6 几何模型与边界条件
参考某氢燃料汽车,其内部简化的二维结构模型及其网格划分如图1所示,泄漏速度取为2g/s,泄漏孔直径3mm,各壁面设置为绝热,重力加速度延Y方向,取为-9.8m/s2。由于氢气的爆炸范围为体积含量4%~74.2%,取4%为氢气浓度危险下限。
2 结果与讨论
2.1 扩散云图
图2为燃料车内氢气瓶右侧泄漏后不同时刻氢气危险区域的分布图。可以看出,随着泄漏扩散的进行,氢气在挡板右下侧积聚,也即挡板右下侧的位置是氢气扩散后形成的高浓度区域。在车内顶棚上,由于氢气受浮力作用,氢气延顶棚壁面向车前侧扩散。当顶棚达到一定浓度后氢气才逐渐向下扩散。可以看出在氢气瓶右侧发生泄漏时,挡板下壁面右侧位置是最佳氢气预警监测传感器的布置点。
图3为燃料车内氢气瓶左侧泄漏后不同时刻氢气危险区域的分布图。从图中可以看出,与右侧发生泄漏时一样,氢气在挡板下侧积聚,挡板下侧的位置是氢气扩散后形成的高浓度区域。同样可以看出在氢气瓶左侧发生泄漏时,挡板下壁面右侧位置是最佳氢气预警监测传感器的布置点。
2.2 体积分布对比
气瓶左侧或右侧发生泄漏10s后,挡板下表面位置氢气浓度分布如图4所示。从图中可以看出,在该时刻,该位置浓度均处于危险范围之内,且最大浓度位置均出现在挡板右端部下侧。也即挡板右端部下侧应为氢气传感器检测位置的最佳点。
气瓶左侧或右侧发生泄漏后,不同时刻顶棚位置的氢气体积含量分布如图5、6所示。从图中可以看出,随着泄漏扩散的进行,顶棚位置氢气浓度逐渐升高。对比两图可以看出,气瓶右侧与左侧泄漏对于不同时刻顶棚位置的浓度影响不大。
3 结论
建立了氢燃料车内部氢气泄漏扩散的数值计算模型,应用模型对氢气瓶右侧与左侧的泄漏扩散进行了模拟分析。结果表明:(1)该模型能直观的对燃料车内部氢气的泄漏扩散进行分析;(2)车内氢气瓶上方挡板位置是氢气泄漏扩散后的高浓度区域,泄漏后的氢气在该处容易发生积聚。且挡板下侧最大浓度位置出现在挡板右端部。该位置为氢气传感器检测位置的最佳点。
由于二维模型对于车内结构进行了一定的简化,其计算结果存在一定的局限性,相关的三维数值模拟工作目前正在进一步开展中。
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厂房内H2连续泄漏扩散的模拟分析 篇7
1 模型的构造
1.1 物质传输与扩散经验模型
本文采用Realizable k-ε模型对H2的泄漏传输进行模拟求解。其在标准k-ε模型基础上添加了新的解析式,并为求解紊动耗散率ε提供了新的传输公式。提高了平面射流、圆孔射流以及高压梯度、分离梯度下边界问题的求解精度[3]。其中关于k、ε的传输方程为[4,5,6,7,8,9,10]:
紊动能k方程:
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紊动能耗散率ε方程:
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其中,C1ε,C2,σk和σε是传输耗散常数;Gk表征由于均速度梯度而产生的湍流动能源项;Gb表征由于浮力产生的湍流动能源项;YM表征在可压缩团刘忠波动扩张引起的耗散项,SK和Sε为用户自定义条件;ρ由可压缩气体状态方程控制。
Fluent通过对物种传输扩散守恒方程的求解,能预测物种的质量含量Yi,其传输扩散方程为:
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其中,Ri为存在化学反应使化学反应产生物种i的速率,无化学反应时可以忽略;Si为用户定义而产生物种的速率;Ji为i物种的质量扩散速率。
在湍流流动中fluent通过以下形式求解质量扩散,其表达式为:
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其中,μt为湍流粘度;Sc1为湍流施密特数。基于以上理论利用Fluent的求解器对H2的传输和扩散进行模拟计算。
1.2 构建实验模型
所建模型如图1所示,计算域为8m×4m×2.5m(x×y×z)的长方体厂房,右边墙壁上开一窗口,窗口尺寸为0.9m×1m(y×z)。室内装有H2气体的圆柱形钢瓶,位于坐标0.5m×2m(x×y)处,钢瓶高度为1.2m,泄漏口位于(1.2,2,1)处,泄漏方向为x轴正方向。
1.3 计算条件
在模拟过程做如下假设:
(1)泄漏气体为纯净H2,且泄漏速率恒定,因设有窗户而不考虑压力的变化;
(2)气体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)不考虑泄漏气体与空气的温度差异,即气体和环境之间无热量交换。
边界条件:将计算域进行非均匀的结构化(六面体)网格划分,泄漏口为质量入口。钢瓶通过减压阀阀口泄漏,因此泄漏速率为0.067kg/s(H2减压阀最大泄漏流量)。泄漏形式为非稳态连续泄漏。墙壁窗口为压力出口。其他壁面采用标准壁面函数处理[11]。
初始条件:t=0,质量入口,H2的含量为100%;压力出口,空气的含量为100%;壁面、流场及气体的温度均为300K。
2 模拟过程与结果分析
2.1 室内监测点处H2的浓度随时间的变化
图2是监测点point 1(2,2,1.2)、点point 2(4,2,1.2)和点point 3(6,2,1.2)处H2的浓度随时间变化的曲线。由各曲线可见,随着时间的推移,三点处的浓度曲线逐渐上升并于175s左右达到平稳。且距离泄漏口越远,H2的浓度越小。由此得出,泄漏扩散监测点浓度随着距泄漏口下风向的距离增大而减小。并且泄漏一段时间后,扩散将达到稳定,室内各区域H2浓度将不随着时间推移而变化。
2.2 室内各平面上浓度场的分布
(1)报警器的布置
图3、图4分别为泄漏60s和300s时在y=2m平面上H2浓度分布图。由图3、4可以看出H2泄漏射出后在室内纵切面的大致走向。由图3可知,在泄漏初期,由于泄漏口孔径较小,泄漏气体的初始动量较大,因此气体基本上沿泄漏口x方向喷射扩散,在喷射压力的作用下,扩散气流柱向地面倾斜。喷射流扩散到达墙壁附近后堆积滞留,因此此处浓度较高,可以设置报警器。随后H2沿着墙壁缓慢浮升,部分气体在窗口处外泄,剩下部分继续浮升到达房顶,并沿着房顶向反方向(-x方向)蔓延扩散,直至整个房间中充满H2。图3中显示300s时H2扩散并浮升至整个房间,且扩散达到稳定状态。
图5为泄漏300s时在x=7m平面上的H2浓度分布图。图中显示H2泄漏扩散稳定后窗口附近H2浓度分层明显。并且结合图3、4可以看出扩散过程中,窗口上部至房顶的靠墙壁处形成了较小的空气气流涡旋,此涡旋应由窗口处气流交换时流入的空气引起,涡旋中H2含量较低。由此推断此处不宜设置泄漏报警装置。图6为泄漏300s时z=1.2m平面上的H2浓度分布图。图中可见在同一水平面上H2扩散并不均匀,大致偏向y轴正方向,且浓度分层明显,气流到达墙壁后沿墙体流动并同时扩散到空间内。因此,泄漏报警装置可以设置在泄漏口正对面墙壁上的窗口下方或两侧。
(2)排风口布置
由图3-图6可以看出,厂房模型的开窗部位只能排除少量泄漏气体,多数H2沿着墙壁浮升,到达屋顶,并沿着屋顶向室内回流。因此,厂房的排风口应开设在H2钢瓶喷口方向上的屋顶处。本文中泄漏模拟的厂房应改设排风口在钢瓶喷口方向上屋顶x=4-6m处。
2.3 室内各直线上的浓度曲线比较
(1)曲线图分析
图7是室内平行于x坐标轴的各直线上浓度曲线的比较。由图可知,Line1(y=0,z=1.2)是泄漏钢瓶右侧墙壁与钢瓶等高的一条直线,该直线上随着下风向距离的增大浓度几乎不变,可见墙壁处浓度基本均匀;Line2(y=2,z=2.5)是钢瓶正上方沿着屋顶的一条直线,该直线呈现先随着下风向距离增加浓度基本不变,后于x=6.5m处骤减,再于7.5m处骤增的趋势,骤减部分是由于窗口处空气流稀释引起;Line3(y=2,z=1.1)是一条沿着钢瓶喷射口水平射出的直线,该直线上浓度在x=1.2m(钢瓶口处)处达到最大,之后随着下风向距离增加逐渐减小;三条曲线最高浓度不超过68%,最低浓度不低于54%。图8是室内平行于y坐标轴的各直线上浓度曲线的比较。由图可以看出,Line4(x=6,z=1.2)Line5(x=4,z=1.2)Line6(x=6,z=2.5)三条处于室内不同位置的直线呈现出相同的曲线形式,都是先减后增趋势。浓度最低点位于y=0.6m处,是由于窗口处进入的空气涡旋稀释H2浓度引起,且最高浓度不超过68%,最低浓度不低于50%。
(2)疏散区域的确定
危险化学品事故危害对人身的伤害程度可以分三个级别:即致命伤害、严重伤害和轻度伤害。每种危害的极限值是不一样的[12]。美国能源部定义的紧急时刻暴露极限(Temporary Emergency Exposure Limits,简称TEELs)被用于划分不同浓度的毒性气体对于周围人类的伤害程度或者是人类感知程度。H2有三个级别的TEELs。TEEL-1(65000ppm)表示在此浓度下的气体会被暴露于其中的人体感知,并可能造成轻微短暂的健康影响;TEEL-2(230000ppm)表示此浓度的气体使得暴露的人体产生中毒窒息等后果,对人体健康造成非不可逆转的伤害,此时可以采取自我保护或逃生等行为。TEEL-3(400000ppm)表示在此浓度下的气体会对人体造成严重的、持久的威胁生命的影响。
由图4、图6结合图2、图7和图8可知,可以看出,H2已泄漏扩散到室内各处,易造成窒息等事故,产生不良后果。在人员的应急疏散中应根据模拟出的影响区域的危害程度可以把影响区域依次划分为紧急避难区、协助疏散区和自主疏散区。具体划分情况:H2浓度高于400000ppm的区域为紧急疏散区,应紧急疏散存留人群,疏散人员和事故处理的人员应配带有相应的安全防护用具;浓度在400000ppm和230000ppm之间的区域应设为协助疏散区,禁止人员在该区域随意流动,尽量避免人员逗留;浓度在230000ppm和65000ppm之间的的区域为引导和自主疏散区,人员可自行疏散。由图4-8可以看出,当泄漏扩散稳定后,除了窗口周围,室内空间各点、直线、平面等浓度基本处于400000ppm(TEEL-3)以上,整个室内均属于紧急疏散区。
H2的爆炸范围为4%-74.2%,由图2-8可以看出,H2泄漏扩散初期乃至稳定后室内区域基本处于爆炸极限内,因此必须在泄漏初期进行紧急人员撤退并做好防火防爆通风工作。
3 结论
通过对厂房内H2连续泄漏扩散过程的浓度场进行数值模拟,可以得出如下结论:
(1)根据各监测点处H2的浓度随时间变化的曲线图,泄漏扩散监测点浓度随着泄漏口下风向的距离增大而减小。并且随着时间的推移,泄漏扩散将达到稳定,稳定后室内各区域H2浓度将不随着时间推移而变化。
(2)根据室内H2浓度分布规律,得出H2泄漏报警装置应设在泄漏口正对墙壁上,且厂房的排风口应开设在H2钢瓶喷射方向上的屋顶处。
(3)结合H2的毒性级别和爆炸极限,划分该厂房为紧急防爆疏散区,必须在泄漏初期进行紧急人员疏散并做好防火防爆措施。
摘要：利用计算流体动力学软件Fluent对厂房内易燃易爆气体H2泄漏扩散过程进行了数值模拟,研究H2连续泄漏扩散规律。计算结果表明,厂房内H2泄漏一定时间后扩散将达到稳定,室内H2浓度将不再变化;根据室内H2浓度分布规律,得出H2泄漏报警装置应设在泄漏口正对墙壁上,且厂房的排风口应开设在H2钢瓶喷射方向上的屋顶处;结合H2的毒性级别和爆炸极限,划分该厂房为紧急防爆疏散区,必须在泄漏初期进行紧急人员疏散并做好防火防爆措施。研究结果为厂房内H2泄漏事故应急救援、泄漏报警装置及排风口的位置设置提供重要技术支持和理论依据。
关键词：H2泄漏,浓度场,报警器位置,排风口位置,浮升效应
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扩散模拟 篇8
关键词：燃气扩散,高斯烟羽模型,燃气扩散模拟
0引言
城市室外燃气管道泄漏事故具有突发性,完全杜绝是不可能的,我们能做的就是通过燃气管网的信息化管理尽量减少人为事故的发生,以及通过燃气管网的智能关阀搜索和扩散分析提供智能的决策,进行及时的处理和补救,维护人民生命财产安全,降低事故对社会造成的危害。目前,致力于燃气扩散分析的研究较多,张甫仁等人采用CFD软件对燃气的扩散程度进行模拟[1];张增刚等人进行了室内燃气扩散的分析与模拟[2];尹贻林等人从GIS方向对扩散分析进行了模拟[3],但未进行后续的影响范围分析。
本文基于Arc GIS软件,以昭通市为例构建了室外真实场景,采用高斯烟羽模型,对燃气的扩散进行计算和模拟,并运用Arc GIS的开发功能在地图上对不同泄漏浓度的范围进行了渲染模拟,结合Arc GIS的空间分析功能确定受影响区域,查询受影响的单位和个人,为事故处理提供决策支持。燃气公司和政府部门可以根据燃气泄漏影响情况制定人员撤离方案,制定抢修方案,保证人民的生命财产安全。以此为依据,还可以为以后新建的燃气管道安全距离提供一定的理论依据。
1燃气扩散模型的选择
燃气的泄漏和扩散是一个复杂的过程,受到多方面的影响,通过目前的一些研究可以主要归纳为以下几方面的影响:风向、风速、气温、大气稳定度、湿度等气象因素,地形因素,排放源参数,泄漏气体密度,稀释和沉降作用的影响,分解、化合、地面吸收以及雨雪冲洗等作用的影响。正是由于影响因素众多,导致燃气的扩散情况多种多样,对其扩散模型的研究显得较为复杂。
近年来,大气环境学家和气象学家研究和建立了许多的大气扩散模型,形成多种多样可以处理不同条件下复杂大气扩散问题的扩散模型。然而没有哪个模型可以适用于各种条件的燃气扩散分析,因此,应用者需根据实际情况选用合适的扩散模型。
本研究通过对各个大气扩散模型的学习和对比,最终选择了最常用的高斯模型。高斯模型是通过对大量的实测资料进行分析,应用统计理论得到的一种建模方法。它适用于点源气体的扩散,是发展较早的气体扩散模型,早在五、六十年代就已经开始被应用于模拟气体扩散浓度分布。主要包括:适用于连续泄漏扩散的高斯烟羽模型和适用于瞬时泄漏扩散的高斯烟团模型。本研究以连续泄漏扩散为研究对象,因此选用高斯烟羽模型作为实现燃气扩散分析的模型。
2高斯烟羽模型[4][5]
高斯烟羽扩散模型是以平流———扩散微分方程为依据,在风速及湍流扩散系数为定值的条件下,其解为标准正态分布。所以通常将烟羽模型用来描述轻质气体突发性泄漏事故中污染物的浓度分布。高斯烟羽模型可以根据风速u的大小:u>1m/s、u<0.5m/s、0.5m/s<u<lm/s时,选择三个不同的公式来模拟。
本文选取了第一种情况,即在连续泄漏的情况下,风速u>1m/s的情况下,以泄漏源为原点,风向方向为x轴的空间坐标系中一点(x,y,z)处的浓度为:
式中,c(x,y,z)———空间(x,y,z)处的浓度,kg/m3;Q———气体泄漏流量,kg/s;
σy———侧风向扩散参数,m;
σz———垂直风向扩散参数,m;
H———有效源高;
u———风速,m/s。
因为本研究是针对地面泄漏源,因此有效源高H默认取值为0,风速由实际的测定值或气象部门给出的数值为准。在公式中需要确定的数值主要是气体泄漏流量Q,扩散参数σy,σz,下面具体给出其确定方法。
2.1管道孔口泄漏率
燃气管道有一定的压力,当气体从有压力设备的裂口泄漏时,应采用气体流动标准方程计算,从而判断气体在泄漏时属于亚音速流动还是音速流动,前者称为次临界流,后者称为临界流。本课题是与昭通燃气公司合作,其气源是天然气,主要成分为甲烷,临界压力为1.837,绝热指数为1.307,通过气体流动标准方程计算可知属于音速流即临界流。因此选用公式(2)来计算其泄漏率。
气体呈音速流动时,泄漏速度Q0为
Cd—气体泄漏系数,当裂口形状为长方形时取0.90、三角形时取0.95、圆形时取1.00;
R———气体常数,8.314J/mol·k;
Q———气体泄漏流量,kg/s;
A———裂口面积,m2;
T———气体温度,K;
M———气体的分子量,kg/mol;
P———气体泄漏前压力,Pa;
2.2扩散参数σy、σz的确定
扩散参数σy、σz是大气稳定度、下风向距离、地面粗糙度等构成的函数,目前应用较广泛的估算法是P-G扩散曲线法,但此方法更适用于平坦地面,且在大气稳定度分级上有一定局限性。Briggs于1973年根据公式渐近线的概念,用内插公式将帕斯奎尔、布鲁克海汶和其他几种扩散曲线统一起来,从而得出了一种新的扩散参数表达式。此方法充分考虑了下垫面的影响,适用于102m~104m的范围。这种方法是在无法提供现场实测或模拟实验数据的情况下,估算扩散参数的有效途径。
3模块流程及系统实现
3.1模块流程设计
(1)图形显示模块:地图的显示、缩放、平移、保存、属性查询等功能。
(2)气象分析模块:输入各项气象参数,通过气象数据库查询其余相关参数,计算出大气的稳定度等级,最终用于计算扩散参数σy、σz。
(3)事故后果计算模块:通过输入泄漏口的形状、气体压力、泄漏口面积、风向等参数,按照高斯烟羽模型计算出空间点(x、y、z)的浓度。
(4)扩散模拟及影响用户显示:通过泄漏浓度内插出不同浓度的区域范围,进行颜色渲染,显示在地图上;通过叠加分析得出影响区域,输出影响用户的excel表。
根据高斯烟羽扩散模型,系统流程图设计如图1。
3.2系统的实现
(1)实现软件。Arc GIS Engine是为客户化Gl S应用提供的嵌入式开发组件,利用此软件,开发者能将Arc GIS功能集成到一些应用软件中去,还可以为用户提供针对GIS应用的解决方案的定制。
(2)应用效果。打开软件,显示目标区地图,找到泄漏的准确地点,放置标志点,点击燃气扩散模拟功能,出现一个参数输入界面,如图2所示。根据当地的实际情况输入泄漏点经纬度、时间。输入一组模拟数据:云量5~7,风速2m/s<u<3m/s,点击计算,可以计算出太阳高度角为18.42,大气稳定度等级为D级。再继续输入模拟参数风速为2m/s、裂口形状为圆形、气体压力为1000Pa、泄漏口面积为0.05m2、风向为-180度,点击开始模拟,即可得到泄漏区域不同浓度的范围区域,输出影响区域的居民信息,如图3所示。
通过泄漏浓度范围图,我们可以大致了解气体主要往哪个范围扩散以及各个范围大概的浓度及危险程度。这样就不必盲目的进行人员的疏散,可以告知处于警戒范围内(可以闻到燃气的臭味,但不一定会有爆炸危险,在图3中区域(1)及区域(2))的人员,避免手机、金属碰撞、汽车发动机等潜在火源的发生,防止次生灾害的发生,安抚他们有序撤离;封锁区域(3),除救援人员不允许其余人员进入。同时,通过属性信息表的查询,可以得出受影响的人数和单位。在居民地属性表中加入三个字段:保护等级、危险等级、可参与救援单位。保护等级主要描述需要重点保护的对象(比如学校),需要优先进行撤离(图3中的星星幼儿园就属于重点保护单位,需要进行及时的撤离);危险等级主要描述易于引发次生灾害的单位,同样按照可能性分为几个等级,比如食堂、饭店、修理厂等有明火的地方就属于一级危险,在遇到泄漏事故后需要及时通知停工;可参与救援单位描述的是可以参加救援工作的单位和个人,主要指消防、公安、医院这一类单位,可以通知就近参与疏散和救援任务。通过以上属性信息的分析可有助于救援工作准确、快速、有效的进行。
4结论
室外燃气的泄漏事故如果得到及时有效的分析和处理,基本不会对社会和人民生命财产安全造成太大的危害。反之,一旦在空间中形成可燃气云,浓度达到一定范围,且遇到合适的点火源就可能发生火灾或者更严重的爆燃事故,对社会造成极其严重的危害。在系统测试中,通过模拟数据可以计算出各点的泄露浓度,在地图上显示泄露影响范围,输出受影响的用户数据。从而配合救灾部门进行有效的疏散和撤离,对缩短救援时间,有效抑制燃气与空气的有效混合,减少火灾和爆燃的可能性起到至关重要的作用。
参考文献
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扩散模拟 篇9
随着海上油气资源的不断开发, 海底管道作为一种相对稳定的输送方式, 在未来的海洋油气资源开发中将会得到更多的应用。然而随着管龄的增长, 不可避免的运行磨损、腐蚀、外力破坏等原因的影响, 将会使管道泄漏事故频繁发生, 不仅对环境造成严重的污染, 而且带来巨大的经济损失。例如, 2006年胜利油田分公司海底管道泄漏事故造成了东营地区的严重污染, 破坏了当地的生态环境给当地及胜利油田带来很大的经济损失;2010年, 中海油蓬莱地区海底输油管线泄漏事故也给当地的环境和经济带来了很大的影响。因此, 合理地进行管线泄漏检测具有重要的实际意义。目前国内外对管道泄漏检测技术的研究已不少, 并取得了阶段性的成果, 应用较广泛的主要有:噪声监测、放射性示踪剂检测、负压波检测、压力梯度检测、超声波检测、热红外检测、分布式光纤温度传感技术等[1]。其中分布式光纤温度传感技术以其精度高和自适性强等优点而极具发展前景, 因而研究海底埋地管道泄漏过程中的海泥温度场变化以及原油在海水中的分布规律可以为以温度传输为基础的泄漏检测技术提供一定的理论基础。
1 模型的建立
1.1 物理模型
海底埋地输油管道的泄漏可以分为三个阶段:原油泄漏后, 在海泥中的渗流过程;当原油从海泥中渗出, 进入到海水中时, 在海水浮力和底层海水流动的影响下, 逐渐涌向海面;原油在海面上的扩散过程。第一阶段泄漏过程原油在海泥中的扩散其模型如图1, 以胜利埕岛油田海底管道为例, 埋深1.5m, 管道直径600mm, 底层海水温度0℃, 管内原油温度60℃, 凝点温度36℃, 相变温度变化0.5℃, 泄漏孔直径60mm, 泄漏口流速为0.6m/s, 计算区域取5m×5m, 采用三角形网格对管道周围海泥进行单元划分。由于泄漏口处温度梯度相对较大, 因而对此处网格进行加密以捕捉温度的变化, 热油管道的初始温度场对于泄漏后周围海泥温度场有重要影响。
1.2 数学模型
土壤作为一种多孔介质其内部流动及相变过程相对复杂, 而海泥相对土壤可以看作饱和含水土壤介质。由于海底管道敷设的条件特殊, 当管道发生泄漏后, 会有大量高温热油渗漏到海泥中, 改变管道周围的海泥温度场, 采用有限容积法处理饱和含水淤泥多孔介质流固耦合传热模型。相变过程符合boussinesq近似[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。根据这一特征得到控制方程如下:
质量守恒方程:
式中:U为流体速度m/s;ρf为流体密度kg/m3;t为时间s。
动量守恒方程:
式中:u, v分别为U在x, y方向上的速度分量, m/s;p为孔隙压力, pa;μ为流体动力粘度, pa·s;α为流体膨胀系数, 1/k;为多孔介质渗透率, m2;为惯性损失系数, m-1;Am为固液糊状区域常数;β为液相分数。能量守恒方程:
式中:γ为液体所占空隙分数;hf为液相介质的焓, j/kg;hs为相变后固相介质的焓, j/kg;keff=εkf+ (1-ε) ks+ (1-ε) kp为有效导热率, W/ (m·K) ;kf为液相导热率, W/ (m·K) ;ks为固相导热率, W/ (m·K) ;kp为多孔介质骨架导热率, W/ (m·K) ;ρs=ρf[1-α (T-Tref) ]为固相介质密度, kg/m3。
1.3 边界条件
y=y0处, Tk为底层海水与海泥交界处温度, k;
r=RN处, α1为原油管道与管道内壁的当量换热系数, 120W/m3 (·K) ;
y=0处, T=TM为海底恒温层, 这里取275K。
2 数值模拟及结果分析
当海底管道上方发生泄漏时, 原油从上方泄漏口流出, 在初始的一段时间内, 管道周围海泥温度场变化较大, 泄漏原油形成一个以泄漏口为中心的热影响区域。从图2、3、4管道周围海泥温度图中可以看出:泄漏50s左右时, 330K等温线移动速度较快, 从泄漏口到底层海水之间的等温线均有不同幅度的上移。随着原油泄漏量的增加和原油泄漏速度的变化, 热油逐渐向下移动, 部分等温线也随之下移。150s左右时, 泄漏原油到达底层海水与海底砂土的边界位置, 并在海水浮力的作用下涌向海面。300s时泄漏已发展较为充分, 渗流原油前锋形成一个动态的凝油层, 沿管道中心线对称分布。从等温线的分布可以得出, 泄漏原油虽然范围不断扩大, 但其运动速率逐渐降低。泄漏前锋原油温降较快, 由于受到海底温度的影响, 原油与周围海泥换热后很快达到凝点, 导致热影响区域扩大速率逐渐减缓。
从图5、6、7中可以看出, 在底层海水和凝油层重力影响下, 泄漏原油在管道中心线附近两侧分布。泄漏原油在管道两侧对流较为强烈, 在压力作用下, 形成方向向下的涡流, 该过程与冻土区埋地热油管道泄漏过程相似, 随着时间的增加, 原油泄漏量不断增加。海泥中原油泄漏等压线分布较之土壤中不同, 海底原油管道泄漏分布不仅受到原油重力的影响, 还要受海底压强的影响, 因而海底管道原油泄漏等压线在管道下方的移动较之土壤中相同条件下略快。320K等温线泄漏在200s左右时, 下移约1m, 土壤中原油320K等温线在220s左右时到达管道正下方约1m处。
从原油泄漏速度分布图8、9、10中可以看出, 从泄漏口往外速度梯度分布逐渐递减, 距离泄漏口越远的位置其凝油层阻力越大。随着时间的增加, 泄漏口内外速度趋于平衡, 原油泄漏速度减小。当管道正下方穿孔时, 等温线和等压线移动速率相对更快。从热影响区域来看, 土壤中原油泄漏温度场与海底原油泄漏海泥温度场有诸多不同。
溢油进入底层海水后, 在海水浮力的作用下流向海面, 这个过程受到底层海水流速的影响。底层海水来流将溢油冲散成油滴状, 油滴在海水浮力作用下上升。从图11、12中我们可以看到, 上升过程受到海水流速、黏度等因素的影响, 溢油浓度受海水流速影响较大, 在海水的作用下, 油滴之间的距离不断变大, 随着油滴的不断溢出, 溢油速度不断减小。不同黏度的原油单位时间内流入海水中的流量相差较大, 黏度越小, 流量越大。当初始油滴到达海面形成小块油膜后, 水流速度在整个水域内的分布达到平衡, 溢油速度达到稳定。油水之间相互作用, 上浮油滴不断沿水流方向漂移[11]。油滴到达海面后, 受到表层海水流速和风速的影响, 成小块油膜分布。当海面风速较小时, 油膜沿海水流动方向横向扩散速率较大, 经过时间的积累, 呈现长而窄的油膜带。对于海面原油泄漏, 当油膜面积达到最大之后, 在海洋破碎波的作用下, 油膜破碎, 随洋流继续漂流[12]。从而在海面上形成较大规模的溢油面。海底原油管道泄漏后, 原油浮到海面时, 由小块油膜聚集成大的油膜。海面风速较大时, 油膜在海面上呈块状分布。
3 结论
本文通过对海底埋地输油管道泄漏过程的数值模拟, 得到了泄漏原油周围海泥温度场的分布状况, 分析了原油自海泥中渗出并涌至海面的过程。与土壤中原油管道泄漏相比, 海底埋地输油管道泄漏在相同压力和相同泄漏口尺寸的条件下, 受到海水压强的影响, 泄漏速率略快。溢油在海水浮力作用下涌向海面, 受到海水来流速度的影响, 在海水流动方向上有一定的偏移。模拟过程为基于温度传输的泄漏检测技术提供一定的理论基础。
摘要：采用有限容积法建立海底饱和含水淤泥多孔介质的流固耦合传热模型。利用FLUENT软件数值模拟了海底埋地输油管道输送过程中海泥温度场变化及原油在海泥中的分布规律。分析了原油泄漏后在海水中的分布规律。对泄漏后海泥温度场的模拟表明:管道泄漏后, 一定时间内管道周围海泥温度波动比较剧烈, 由于受海底温度的影响, 泄漏前锋原油温降较快, 热影响区范围变化逐渐趋于平稳。且随泄漏位置的不同, 海泥温度场变化及海泥原油分布差异较大。当原油从海底海泥介质中到达海水底层后, 在海水浮力的作用下流向海面, 流动过程受到海水流动速度海平面风速等因素的影响。为以温度传输为基础的海底埋地管道泄漏检测提供了一定的理论基础。
关键词：海底管道,泄漏,含水多孔介质,数值模拟
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