重气泄漏扩散影响因素分析及模型研究

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1、重气泄漏扩散影响因素分析及模型研究孙宝江(重庆科技学院安全工程学院，中国重庆401331)【摘　要】重气扩散受多种因素影响过程复杂，是目前泄漏扩散研究的重点。分析了重气扩散机理和影响因素，对重气研究方法进行了介绍，对比分析了箱模型、CFD模型、浅层模型和经验模型的适用范围和各自的优缺点，得出CFD模型是研究重气扩散最准确分方法。.jyqk3；CO——初始时刻重气云团内部危险物质浓度，kg/m3；x——沿下风向泄漏点到云团的距离，m。随着空气的不断进入，重气云团的密度将不断减小，重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境湍流引起的扩散。2.2　CFD模型随着计算机科学的发展和研究者对于计

2、算精度的高要求以及研究过程复杂性的增加，为了克服常规模型对重气扩散模拟的局限性，有学者开发出了CFD模型（计算流体力学模型），该模型以流体力学为理论基础，先用前处理器建模并划分网格，为了达到计算收敛需要结合一定边界条件和初始条件利用求解器进行求解。CFD模型的基本控制方程是质量守恒、动量守恒和能量守恒三个守恒方程，守恒方程可用以下通式表示。最先使用CFD方法模拟重质气体三维空间内流动扩散规律的是England[7]，他采用CFD方法模拟了气体的非定常湍流过程。StevenR.Hanna[8]应用FLACS软件建立3D模型，模拟计算了芝加哥工业区和郊区列车储罐内氯气泄漏扩散的事故

3、场景，得出氯气在平坦地形扩散速度较快，加重事故的严重程度。液氯泄漏后随着排水系统扩散，受到障碍物的阻挡作用，扩散速度变慢，重气云会聚集，部分区域内氯气浓度增加。国内大连理工大学的丁信伟、王淑兰[9]等通过分析危险化学品泄漏的研究进展，综述了国内外有关危险性气体扩散研究中的数值模型与试验开展情况。详细对比分析了各个气体计算模型的优缺点和适用范围，并分析研究了国外研究机构早期设计实施的一系列大规模试验，并预测了气体扩散研究的重点和将来的发展趋势。CFD模型适用性强，能适合任何地形条件和外界因素影响下重气扩散过程的模拟，并保持很高的计算精度，这方面是其他模型无法比拟的。CFD模型也存

4、在一定的局限性，对于大范围的模拟计算，尤其是3D模拟，因涉及大量的数值计算，需要很高的计算机软硬件配置，如果前期建模网格处理不好，从开始计算到结果收敛要花费大量的时间。2.3　浅层模型浅层模型是依据浅层理论的近似原理提出的，模型假定横向尺寸远大于垂直尺寸，应用流体静力学描述重气团内部压强，只有在气云前边缘处才会出现特殊情况。气云和外界大气的质量交换用卷吸速度表示，复杂地形下的扩散过程需要在动量方程上增加一些附加项。SLAB模型和HEGADAS模型是一维浅层模型，一维模型假设云团浓度和其他性质的侧风轮廓是一个特定形状，空间平均、侧风值的下风向变化通过顺风向的守恒方程确定。一维浅层

5、模型最大的缺点就是模拟复杂地形或者绕过障碍物时计算精度较差。二维浅层模型在模拟重气绕过障碍物方面进行了改进，能较好模拟持续泄漏和瞬时泄漏两种情形。浅层模型的模拟可靠性介于箱模型与CFD模型之间，对于计算精度要求不严苛，一般复杂地形下的重气扩散过程模拟浅层模型有较强的适应性。2.4　经验模型经验模型是指通过一系列图表或者简单关系式来描述扩散过程的模型。该模型使用简单，多用于平坦地形的扩散过程。Britter和McQuaid[10]通过收集大量的重气扩散的实验室和现场实验研究的结果，以无因次的形式将数据连线绘制成曲线图并给出了与数据匹配的关系曲线的近似方程，并编制了重气扩散手册，其

6、中荐了一套简单且实用的曲线图，有学者将之称为BM模型。Hanna[11]等通过验证各重气模型，指出HEGADAS等4个重气扩散模型能够预测实地测试的最大中心线浓度和烟羽宽度在两倍以内，但是都无法重现来自现场数据的平均时间浓度的变化。Mercer对比了几个积分模型，得出在瞬时释放时，各模型预测结果之间的最大差异产生在低风速、大气稳定度为F、地表粗糙度较大的条件下。重气扩散模型比较表3　结论重气泄漏扩散模型都有各自的适用范围，CFD模型是各类模型中精度最高的模型。在工程实际应用时应根据泄漏的具体情形，分析并选取合适的泄漏模型。在大多数情况下，可以将上面3种模型结合起来使用，取长补短

7、。研究更加切合实际情况的泄漏模型将是泄漏模型的发展方向，也是对泄漏事故后果进行评价的迫切需要。.jyqkosphericdispersionofliquefiednaturalgasvaporcloudusingSIGMET,athreedimensionaltime-dependenthydrodynamicputermodel[C].Stanford:StanfordUniv.Press.［８］StevenR.Hanna.2009.CFDmodelsimulationofdispersi