噴射水幕對LNG蒸氣擴(kuò)散影響的CFD模擬

孫標(biāo) 郭開華

中山大學(xué)工學(xué)院

噴射水幕對LNG蒸氣擴(kuò)散影響的CFD模擬

孫標(biāo) 郭開華

中山大學(xué)工學(xué)院

在液化天然氣（LNG）站場內(nèi)設(shè)置噴射水幕是安全隔離、控制LNG泄漏后蒸汽云擴(kuò)散和減緩事故后果的重要措施之一，然而目前對各類型水幕的減緩效果進(jìn)行數(shù)值分析的成果鮮見。為此，利用計算流體力學(xué)（CFD）模型以及事故場景建模和動態(tài)模擬的方法，分別對扇形和錐形噴射水幕的下風(fēng)向蒸氣云擴(kuò)散的穿透過程和阻隔性能進(jìn)行設(shè)置模擬和參數(shù)分析，研究了不同水流量、水幕與擴(kuò)散源間距等參數(shù)對減緩性能的影響情況。結(jié)果表明：①合理設(shè)置水幕能夠?qū)U(kuò)散安全距離減小50%以上，危害面積減小60%以上；②在同樣的水幕噴射壓力和噴射流量下，扇形水幕的阻礙效果優(yōu)于錐形水幕；③提高噴射壓力、增加水幕高度和寬度、合理設(shè)置水幕和泄漏源間距，均有利于降低蒸氣云擴(kuò)散距離，有效增強(qiáng)被保護(hù)設(shè)施的安全性。

噴射水幕 計算流體力學(xué) LNG 蒸氣云擴(kuò)散 安全距離 減緩措施

LNG常溫常壓下沸點為－161.5℃ 泄漏初期，形成的蒸氣云團(tuán)密度約為空氣密度的1.5倍［1］，即“重氣”。國內(nèi)外關(guān)于重氣云團(tuán)擴(kuò)散行為的研究較多，研究方法分為實驗研究和數(shù)學(xué)模型研究［2］，一般認(rèn)為LNG蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散依據(jù)云團(tuán)密度與空氣密度差異而逐漸變小，分為3個特征階段［3－4］：重力沉降、穩(wěn)定分層和向正浮性氣體擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。常用的數(shù)學(xué)模型中，積分模型和計算流體力學(xué)（CFD）模型應(yīng)用較廣［2，5］，積分模型可作為工程應(yīng)用模型確定最遠(yuǎn)安全距離和最大危害范圍。如果擴(kuò)散場景地形復(fù)雜，存在障礙物，或者存在危害減緩措施時（如積液池、噴射水幕等），則需要使用CFD模型。

關(guān)于LNG泄漏危害減緩措施的研究，國外已經(jīng)做過一些實驗研究［6－9］，對于數(shù)值模擬的研究比較缺乏，國內(nèi)對于這方面的研究則更少。噴射水幕技術(shù)比較經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)比較容易，使用比較方便，被認(rèn)為是處理LNG泄漏最經(jīng)濟(jì)、最有效和最具前景的應(yīng)用技術(shù)。本文以CFD商業(yè)軟件FLUENT為計算平臺，研究噴射水幕作為減緩措施對LNG蒸氣云擴(kuò)散的影響，對噴射水幕的設(shè)計、布置提供參考。

1 水幕特征參數(shù)分析

在LNG場站消防系統(tǒng)中，經(jīng)常會用到兩種噴射水幕，即扇形水幕（Flat Fan Spray Water Curtain）和錐形水幕（Cone Spray Water Curtain）［8，10］（如圖1）。對于扇形噴射水幕的形成，工業(yè)中經(jīng)常采用如圖1－a的裝置，將高壓水柱噴射到金屬擋板上，水柱沿?fù)醢迳闲?，呈扇形或者半圓形展開，一般扇形水幕為可移動式水幕；錐形水幕則是噴頭由下向上噴出形成，呈一個倒立的錐形，一般情況下需要數(shù)個噴頭并排一起工作。

圖1 扇形水幕和錐形水幕實物圖［8，10］

當(dāng)發(fā)生LNG蒸氣云擴(kuò)散時，水幕近似于一扇墻壁，一方面對風(fēng)速分布有影響；另一方面，由于水幕并非致密的墻壁，高壓水通過噴頭噴射出來，形成細(xì)小霧狀液滴，直徑為580～1 450μm 因此噴射水幕可以看作LNG蒸氣云穿透多孔介質(zhì)。

水幕的尺寸大小與流量有關(guān)，而流量與壓力有關(guān)，壓力也會影響水幕中液滴直徑的大小，表達(dá)式如下［11－12］：

式中q為流量，m3／min；p為壓力，k Pa；k為流量—壓力系數(shù)，與管徑大小有關(guān)；D1和D2分別對應(yīng)壓力p1和p2時的液滴直徑。

以直徑0.050 8 m（2 in）的管道為例，流量和水滴直徑隨壓力的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 流量與液滴直徑隨壓力的變化關(guān)系圖［11－12］

表1［11－12］顯示了兩種水幕在相同壓力和管徑條件下，水幕的流量、液滴直徑以及水幕尺寸的對比，可以看出錐形水幕較扇形水幕流量少、液滴直徑小，并且水幕高度小，約兩個錐形水幕的流量等于一個扇形水幕的流量。為了將兩種水幕對LNG蒸氣云擴(kuò)散的阻擋效果進(jìn)行對比，可以將多個同時作用的錐形水幕近似看作矩形水幕，相鄰錐形水幕的重疊區(qū)域為自身尺寸的一半。

表1 錐形水幕與扇形水幕參數(shù)對比表

水幕作為障礙物能夠?qū)NG泄漏后的重氣擴(kuò)散產(chǎn)生阻礙作用，由于水幕沿徑向或者豎直高度上的孔隙率（Void Fraction）不同，當(dāng)擴(kuò)散氣體穿過水幕時，阻力系數(shù)因為孔隙率的不同而不同。當(dāng)氣體穿過水幕時，主要受到兩種阻力，黏性阻力（Viscous Resistance）與慣性阻力（Inertial Resistance筆者采用Ergun方程 對上述兩個阻力系數(shù)進(jìn)行求解，表達(dá)式如下：

式中C1、C2分別為黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，ε為孔隙率，Dp為平均水滴直徑，m。水幕的孔隙率沿半徑方向不是均勻的，筆者在處理孔隙率（ε）時，做了3點假設(shè)：①假設(shè)扇形水幕中心點處和錐形水幕的底部孔隙率為0，阻力系數(shù)無窮大，無氣體穿過水幕；②假設(shè)在扇形水幕邊緣處和錐形水幕頂部孔隙率為1（即阻力系數(shù)為0）；③假設(shè)水幕的孔隙率沿徑向（扇形水幕）或者豎直高度（錐形水幕）呈線性關(guān)系。

2 計算流體力學(xué)模擬

筆者假設(shè)在積液池附近設(shè)有水幕，一旦發(fā)生LNG泄漏，水幕就會噴射生成，假設(shè)積液池為正方形，長度為2 m，泄漏場景設(shè)計為：環(huán)境風(fēng)速2 m／s，環(huán)境溫度25℃，大氣穩(wěn)定度F級。

對比相同壓力、相同流量下的扇形水幕與矩形水幕，根據(jù)表1中兩種水幕的壓力和流量，兩個錐形水幕的流量與一個扇形水幕的流量近似相等，并可以近似地看成一個矩形水幕。對于上述泄漏場景下的擴(kuò)散情形，分別采用扇形水幕和矩形水幕進(jìn)行阻隔氣體，筆者對兩種水幕進(jìn)行CFD模擬計算，計算域和網(wǎng)格劃分如圖3所示。由于計算域為對稱區(qū)域，所以為了節(jié)省計算資源，縮短計算時間，求解時僅對計算區(qū)域的一半進(jìn)行計算［14］。

在設(shè)定邊界條件時，計算域的上風(fēng)向邊界定義為風(fēng)速入口，下風(fēng)向邊界定義為壓力出口，側(cè)風(fēng)向邊界定義為0梯度邊界，即在該邊界上速度、濃度等物理量的梯度均為0，以消除側(cè)邊界對計算準(zhǔn)確度的影響。另外，將水幕區(qū)域定義為多孔介質(zhì)區(qū)域，其中慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)用式（2）進(jìn)行描述，在CFD計算時，利用UDF（用戶自定義函數(shù)）進(jìn)行定義。

筆者CFD計算時采用的控制方程包括：連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和黏度方程，為了計算LNG蒸氣擴(kuò)散的下風(fēng)向距離，還需要定義組分守恒方程。

根據(jù)CFD模型計算的一般步驟，在做瞬態(tài)計算之前，首先應(yīng)求解穩(wěn)態(tài)的速度場［14］，計算結(jié)果如圖4所示，在水幕的前后均有渦旋生成，水幕的上風(fēng)向側(cè)底部，有一個尺寸較小的渦旋，在水幕的下風(fēng)向測，可以很清晰的觀察到，無論在豎直方向上還是水平方向上，均有渦旋生成，并且尺寸較大，豎直方向上的渦旋會將穿過水幕后的氣體向上卷吸，而水平方向上的兩側(cè)渦旋，能夠?qū)⒋┻^水幕的氣體向中心線處收攏，對LNG蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散產(chǎn)生較大影響。

圖3 計算域和網(wǎng)格劃分圖

圖4 水幕影響下的速度場分布圖

將扇形水幕、矩形水幕和無水幕3種情形進(jìn)行對比（圖5），在相同的泄漏條件和大氣條件下，LNG蒸氣云擴(kuò)散的安全距離（體積濃度為2.5%的最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離［15］）分別為13.2 m（扇形水幕）和32.0 m（矩形水幕），與無水幕條件下的氣體擴(kuò)散距離相比，扇形水幕將安全距離減小了83.9%，矩形水幕將安全距離減小了61.0%，就體積濃度2.5%的影響范圍而言，扇形水幕將影響范圍減小了78.4%，而矩形水幕減小了67.4%，在相同壓力、相同流量條件下，扇形水幕對LNG擴(kuò)散氣體的阻擋效果優(yōu)于矩形水幕。

圖5 等體積濃度面對應(yīng)的下風(fēng)向擴(kuò)散距離圖

以穩(wěn)態(tài)速度場為初始條件，打開泄漏源，開始做瞬態(tài)計算，擴(kuò)散云團(tuán)與時間的依賴關(guān)系見圖6。圖6中所示為體積濃度2.5%的等濃度面，t＝0時，擴(kuò)散開始，并保持LNG液體在積液池內(nèi)蒸發(fā)速率恒定［0.12 kg／（m2·s）］?？梢杂^察到，大約t＝20 s時，擴(kuò)散氣體已經(jīng)到達(dá)水幕位置，并開始穿越水幕，由于LNG擴(kuò)散氣體的重氣效應(yīng)，側(cè)風(fēng)向尺寸較大，而豎直高度較小，同時，水幕的阻力系數(shù)沿徑向變化，距離中心點越遠(yuǎn)，阻力系數(shù)越小，所以擴(kuò)散氣體在穿透水幕時，先從水幕的邊緣處開始，然后從頂部開始，逐漸向水幕的噴射中心點處靠攏，隨著時間的延長（大約t＝50 s時），水幕場景下的擴(kuò)散到達(dá)穩(wěn)態(tài)，并保持云團(tuán)尺寸不變（該處云團(tuán)尺寸指體積濃度為2.5%的等濃度面），下風(fēng)向擴(kuò)散距離13.2 m，側(cè)風(fēng)向擴(kuò)散距離20.0 m。

下面對扇形水幕的參數(shù)進(jìn)行研究，包括噴水量和水幕和擴(kuò)散源之間的間隔，這二者是影響水幕阻擋效果的主要因素。圖7顯示了不同水流量下，水幕對氣體擴(kuò)散的影響，在相同的大氣條件下，水流量越大，形成的水幕尺寸也就越大。當(dāng)扇形水幕流量為1.32 m3／min，壓力1 035 kPa時，水幕高度為11.4 m，寬度45.6 m，LNG蒸發(fā)氣體下風(fēng)向擴(kuò)散的安全距離為8.3 m。

圖6 LNG蒸發(fā)氣體穿過水幕瞬態(tài)模擬圖

圖7 噴水量對扇形水幕的影響示意圖

水幕與擴(kuò)散源之間的距離也會影響擴(kuò)散范圍，圖8顯示了間隔距離分別為2 m和5 m條件下氣體擴(kuò)散的情況，從模擬結(jié)果可以看出，并不是水幕距離擴(kuò)散源越近，水幕的阻礙效果越好。當(dāng)間隔距離為2 m時，蒸氣云側(cè)風(fēng)向擴(kuò)散距離為22 m，下風(fēng)向擴(kuò)散距離為15.2 m；當(dāng)水幕與擴(kuò)散源間隔距離為5 m時，下風(fēng)向與側(cè)風(fēng)向的擴(kuò)散距離分別為9.4 m與16.2 m，距離增加了3 m，而安全距離縮小了38.12%。這主要是因為擴(kuò)散氣體在擴(kuò)散源與水幕之間已經(jīng)被大氣湍流稀釋，間隔增大，則擴(kuò)散氣體濃度降低程度越大，間隔2 m的水幕上風(fēng)向表面平均體積濃度為6.68%，而間隔5 m的水幕表面平均體積濃度為2.86%。

圖8 間隔距離對氣體擴(kuò)散的影響示意圖

3 結(jié)論

1）水幕的存在，一方面由于其自身的多孔效應(yīng)，會增加擴(kuò)散氣體的穿透阻力，將擴(kuò)散氣體主要聚集在擴(kuò)散源與水幕之間；另一方面，水幕也會對下風(fēng)向的風(fēng)速場分布產(chǎn)生影響，在下風(fēng)向水平面與豎直面均會產(chǎn)生渦旋，使得擴(kuò)散氣體向渦旋中心收攏。在相同壓力、相同流量條件下，扇形水幕和矩形水幕對LNG蒸氣云擴(kuò)散的阻擋效果的對比，結(jié)果為：扇形水幕將安全距離減小了83.9%，矩形水幕將安全距離減小了61.0%；就體積濃度2.5%的影響范圍而言，扇形水幕將影響范圍減小了78.4%，而矩形水幕減小了67.4%，扇形水幕對LNG擴(kuò)散氣體的阻擋效果比矩形水幕的效果好。

2）LNG場站在設(shè)計水幕時，應(yīng)當(dāng)考慮的因素包括：水流量和水幕與擴(kuò)散源的間距等因素，一般情況下，為了降低危害范圍，增加水流量，能使水幕高度和寬度增加，減小LNG蒸氣云擴(kuò)散的危害范圍；適當(dāng)增加水幕與擴(kuò)散源的間距，可以減小擴(kuò)散氣體的危害范圍。

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CFD simulation of water spray curtain application in dispersing liquefied natural gas vapor clouds

Sun Biao，Guo Kaihua
（School of Engineering，Sun Yat－Sen University，Guangzhou，Guangdong 510006，China）

In an LNG terminal，water spray curtain，as one of the most important mitigation methods，is applied to eliminate the hazard of LNG vapor cloud dispersion for safety concern.However，little attention has ever been paid to numerical studies on such hazard－eliminating effects of different types of water spray curtain.In this paper，Computational Fluid Dynamics（CFD）was applied to establish time－dependent models of different accident scenarios，including the LNG vapor cloud penetrating process and curtain blocking effects of cone curtain and flat fan curtain.Parameters of water flow rate and spacing distance between the curtain and dispersion source were investigated.The results show that a.reasonable layout of spray water curtain can reduce the dispersion exclusive distance by more than 50%and hazard area by more than 60%；b.upon the same water spray pressure and flow volume，the flat fan curtain works better than the cone one；and c.through increasing the water spray pressure and the size of water curtain，and setting a proper distance between dispersion source and curtain，the hazard affecting the area by the LNG vapor cloud dispersion can be decreased.This study provides theoretical basis and reference for the water spray curtain design in an LNG terminal or an LNG plant.

water spray curtain，CFD，LNG，vapor dispersion，exclusive distance，mitigation methods

孫標(biāo)等.噴射水幕對LNG蒸氣擴(kuò)散影響的CFD模擬.天然氣工業(yè)，2013，33（8）：130－134.

10.3787／j.issn.1000－0976.2013.08.023

NATUR.GAS IND.VOLUME 33，ISSUE 8，pp.130－134，8／25／2013.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

中山大學(xué)－BP液化天然氣中心資助項目（編號：99103－9390001），廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術(shù)重點實驗室資助項目（編號：39000－3211101）。

孫標(biāo)，1984年生，博士；主要從事LNG蒸氣云擴(kuò)散以及火災(zāi)特性方面的研究工作。地址：（510006）廣東省廣州市中山大學(xué)工學(xué)院BP液化天然氣教育培訓(xùn)與研究中心。E－mail：sunbiao8411＠163.com

郭開華，中山大學(xué)－BP液化天然氣教育培訓(xùn)與研究中心教授。E－mail：guokaih＠m(xù)ail.sysu.edu.cn

（修改回稿日期 2013－06－25 編輯 趙 勤）