重氣泄露擴(kuò)散研究進(jìn)展

， ， (云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

重氣泄露擴(kuò)散研究進(jìn)展

劉宏浩，邱飛，向峰
(云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

介紹了重氣擴(kuò)散的主要研究方法和國內(nèi)外主要研究進(jìn)展。認(rèn)為目前國內(nèi)使用的重氣泄露擴(kuò)散模型主要是國外的一些模型，在模型的選取方面應(yīng)該更加貼近實(shí)際情況，根據(jù)我國的地形氣象特征，選取適合的符合我國環(huán)境條件的模型，并對(duì)相關(guān)模型參數(shù)以實(shí)際條件為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化；傳統(tǒng)的研究手段或方法應(yīng)該更新或改進(jìn)，使研究取得的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠，研究結(jié)論更加科學(xué)可信。

重氣；擴(kuò)散規(guī)律；研究進(jìn)展；綜述

0 引言

石油化工行業(yè)作為基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),為我國的農(nóng)業(yè)、建筑、能源等各行各業(yè)提供支持。石油化工行業(yè)選擇不同原料生產(chǎn)加工產(chǎn)品，這些產(chǎn)品中含有不同成分的易燃易爆、有毒或腐蝕性等物質(zhì)。這些物質(zhì)在儲(chǔ)存及運(yùn)輸時(shí)存在安全隱患。如果這些物質(zhì)由于某些原因泄漏出來，形成的氣態(tài)物質(zhì)密度大于空氣密度，立刻會(huì)在大氣中形成比空氣重的重氣。主要包括：液氨、硫化氫、氟化氫等。

重氣泄漏后受環(huán)境因素的影響較大，如風(fēng)速、地形、天氣、空氣濕度等[1]。泄漏的重氣由于自身物理化學(xué)性質(zhì)和外界條件的共同作用，垂直方向上在地面的濃度最大，且沿地表移動(dòng)一段距離后靠地面的濃度不會(huì)明顯減小。重氣中含有的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)成分泄露到周邊環(huán)境特別是地形復(fù)雜區(qū)難擴(kuò)散、在居民區(qū)難消除，容易造成人員中毒受傷甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸等重大的安全事故。國內(nèi)外曾因危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)泄漏發(fā)生過很多次重大事故，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大損害。為預(yù)防重氣泄露事故的發(fā)生及減少其可能產(chǎn)生的相對(duì)影響，提高安全性，有必要針對(duì)重氣擴(kuò)散進(jìn)行深入研究。本文綜述了重氣泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)的研究方法和途徑，總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，分析了存在問題及未來研究趨勢，旨在為重氣泄露擴(kuò)散研究積累基礎(chǔ)資料。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

重氣擴(kuò)散模式研究采用的最基本和最直接的方法是現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M場景與事故泄漏現(xiàn)場在泄露物質(zhì)情況、外部的地形、天氣等各方面因素及數(shù)據(jù)必須真實(shí)可靠，重現(xiàn)性好。現(xiàn)場試驗(yàn)重點(diǎn)模擬實(shí)際情形下重氣的擴(kuò)散規(guī)律、相關(guān)的安全性能以及相應(yīng)的應(yīng)急措施現(xiàn)場研究，通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到一些事故中沒有發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，可為預(yù)防事件的發(fā)生提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，減少危險(xiǎn)性。到1980年現(xiàn)場試驗(yàn)的研究規(guī)?？涨笆⒋?，也取得了相應(yīng)的成果，主要研究的重氣包括：石化天然氣、液化石油氣、液氨、氟化氫等。1980年，Burro Coyote試驗(yàn)在美國加州的China Lake由國家實(shí)驗(yàn)室Lawrence Livermore進(jìn)行，通過液化天然氣在水面上液池的蒸發(fā)擴(kuò)散，在下風(fēng)向距離泄露源 57m、140m、800m處分別檢測天然氣的濃度，對(duì)多組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬對(duì)比，試驗(yàn)觀察到蒸發(fā)擴(kuò)散氣體的前端出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。1980年9月—1981年在英國國家海洋研究所MaplinSands進(jìn)行的系列實(shí)驗(yàn)，通過連續(xù)和瞬時(shí)的泄露液化天然氣和液化石油氣來研究重氣云團(tuán)的熱通量和氣體的濃度，實(shí)驗(yàn)時(shí)泄露的液化天然氣和液化石油氣的體積范圍為6～22m3及8～27m3，最大泄放速度分別為4.8m3/min和4.3m3/min。1982—1984年美國健康安全執(zhí)行局進(jìn)行的Thorney Islalnd試驗(yàn)，選擇氟利昂和氮?dú)獾幕旌蠚庾鳛榻橘|(zhì)在常溫條件下利用混合氣在現(xiàn)場瞬時(shí)釋放進(jìn)行試驗(yàn)，研究3種條件下2000m3重氣可燃?xì)怏w釋放后的擴(kuò)散分布。之后的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室Desert Tortoise試驗(yàn)選取介質(zhì)為液氨，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和Amoco oil公司Goldfish試驗(yàn)選取介質(zhì)為液態(tài)無水HF，分別對(duì)擴(kuò)散情況進(jìn)行研究。從20世紀(jì)90年代開始現(xiàn)場試驗(yàn)研究相對(duì)較少。

現(xiàn)場試驗(yàn)是將事故發(fā)生的場景進(jìn)行重現(xiàn)，真實(shí)度高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。但是現(xiàn)場試驗(yàn)組織一次需要大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間來做支撐，特別在地形較復(fù)雜時(shí)，現(xiàn)場氣象具有很大隨機(jī)性，較難實(shí)現(xiàn)重現(xiàn)，人為改變和控制性難，實(shí)驗(yàn)在實(shí)際發(fā)生時(shí)可重復(fù)性、規(guī)律性差，實(shí)際應(yīng)用性低，還會(huì)遇到難以預(yù)料和估計(jì)的困難。20世紀(jì)末現(xiàn)場試驗(yàn)基本停止。

縮尺現(xiàn)場試驗(yàn)法是一種簡化的實(shí)驗(yàn)方法，是將實(shí)際情形縮小在野外進(jìn)行。在滿足相似準(zhǔn)則的前提下，以真實(shí)的地形和氣象條件為基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，再根據(jù)縮小比例按照相似條件進(jìn)行換算?？s尺試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)相比較，實(shí)驗(yàn)需要的材料用量、人力、財(cái)力等相對(duì)較少，能節(jié)約成本，同時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)在最大程度上減小釋放物對(duì)環(huán)境帶來的影響，特別是在一些危險(xiǎn)性較高的重氣實(shí)驗(yàn)時(shí)能減少潛在的風(fēng)險(xiǎn)。此法同樣遵循相似條件，在釋放源條件滿足相似的基礎(chǔ)之上，地形氣象條件完全滿足相似，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上能反應(yīng)區(qū)域真實(shí)流場規(guī)律。但是其根本缺點(diǎn)在于試驗(yàn)的重復(fù)性差，實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度達(dá)不到現(xiàn)場試驗(yàn)水平。

2 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)是重氣擴(kuò)散不同于現(xiàn)場試驗(yàn)研究的主要手段，是在不同的氣象條件和地形狀況下，在水槽或風(fēng)洞中模擬研究危險(xiǎn)重氣擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)可調(diào)控影響因素，模擬可能出現(xiàn)的重氣泄露場景，具有重復(fù)性高、監(jiān)測效果好、具有實(shí)際的指導(dǎo)作用、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室模擬在試驗(yàn)中易觀測氣體物理擴(kuò)散過程中的各種情況，并能得到擴(kuò)散各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用和建立相對(duì)的擴(kuò)散模型。

2.1 水槽模擬

水槽模擬試驗(yàn)是將清水中不含氣體且不同密度的鹽水注入到水槽中，鹽水在槽中的水?dāng)U散過程中形成穩(wěn)定的邊界層，通過鹽水在水中的流動(dòng)類似于氣體泄露擴(kuò)散現(xiàn)象來進(jìn)行對(duì)比模擬。水槽模擬試驗(yàn)可清晰、直接地觀測到鹽水的擴(kuò)散現(xiàn)象，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測到鹽水液體的流動(dòng)速度、密度等，對(duì)各個(gè)擴(kuò)散階段能直觀地拍照記錄；該試驗(yàn)使用鹽水代替重氣對(duì)環(huán)境無污染、無毒性，對(duì)實(shí)驗(yàn)者無傷害。由于鹽水試驗(yàn)和重氣的泄露擴(kuò)散在源強(qiáng)分布G、雷諾數(shù)Re、弗勞得數(shù)Fr、施密特?cái)?shù)Se等系數(shù)分別對(duì)應(yīng)相等，物理?xiàng)l件和幾何空間、狀態(tài)以及試驗(yàn)過程和結(jié)果類似，因此通過鹽水的水槽試驗(yàn)來說明重氣泄露擴(kuò)散具有可替代性。在水槽中可設(shè)置和泄露現(xiàn)場相似的外界條件，得到相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供研究方法和研究途徑。

2.2 風(fēng)洞模擬

風(fēng)洞是通過人工產(chǎn)生和控制各種物理?xiàng)l件，模擬飛行器運(yùn)動(dòng)和周圍氣流狀態(tài)，研究氣流對(duì)物體的作用及觀察的一種試驗(yàn)設(shè)備。在風(fēng)洞中研究流體力學(xué)和模型的作用，了解風(fēng)洞內(nèi)部的空氣動(dòng)力學(xué)特性，同時(shí)可以模擬氣體在自然條件下的擴(kuò)散。風(fēng)洞模擬隨著航空事業(yè)的發(fā)展逐漸發(fā)展起來，隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)迅速地向許多非航空領(lǐng)域擴(kuò)展，滲透到各種流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多非航空風(fēng)洞。環(huán)境風(fēng)洞就是非航空風(fēng)洞中最重要的一種。風(fēng)洞模擬是研究區(qū)域流場及污染物擴(kuò)散特征的一種重要手段。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)條件可控，重復(fù)性好，費(fèi)用相對(duì)現(xiàn)場試驗(yàn)較低，能夠直觀地模擬現(xiàn)場流場。風(fēng)洞模擬時(shí)，研究的原型和模型物的相似度影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ捅壤龑?duì)是否能較好地重現(xiàn)重氣泄露現(xiàn)場氣體流動(dòng)特性的研究、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和科學(xué)計(jì)算及可能造成的影響和傷害有著非常重要的作用。

1982年，Merony[2]用風(fēng)洞模擬試驗(yàn)?zāi)M弗勞得數(shù)Fr，同時(shí)為了增大風(fēng)速使弗勞得數(shù)滿足試驗(yàn)中重氣體的密度，全面釋放氣體擴(kuò)散。試驗(yàn)受到風(fēng)洞設(shè)備和氣體等的限制。模擬試驗(yàn)是為了預(yù)測有害化學(xué)物質(zhì)丙烷、丁烷、氯、液化天然氣、氟利昂等排放到地球邊界層的影響。1986年Krogstad[3]等試驗(yàn)研究了邊球形狀連續(xù)釋放的煙羽云，其中心線和云的邊緣都有很強(qiáng)的濃度梯度，云的形狀通過速度和濃度來記錄，建筑物的模型被置入其中，通過與模型的相互作用研究對(duì)煙羽云的改變影響，且剪切流的障礙物底部發(fā)現(xiàn)的馬蹄形渦流系統(tǒng)，將墻壁的濃度降低到非常低的水平，體積都低于2%。表明該效果取決于云與模型高度的比值。1991年，Koning-Langlo[4]等研究了瞬時(shí)的離散情況，以及連續(xù)釋放到邊界層的剪切流擾動(dòng)和不受表面障礙的干擾。通過對(duì)源參數(shù)的修改，對(duì)擴(kuò)散云的熱力學(xué)影響進(jìn)行了分析，描述了在不利大氣條件下，比空氣重的氣體更低的可燃性距離的測定方法。 1993年，chatzman[5]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究確定氣體噴射密度比空氣密度大的分布特征，用照相法和濃度測量法對(duì)射流擴(kuò)散進(jìn)行了研究。結(jié)果對(duì)比表明最顯著的差異是在高密度的弗魯?shù)聰?shù)。1996年，Sweatman[6]等研究瞬間釋放致密氣體云所產(chǎn)生的劑量具有的實(shí)際重要性，測量暴露的有害影響。

國內(nèi)張啟平[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行仿真對(duì)重氣擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬。胡世明[8]等采用現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)重氣擴(kuò)散數(shù)據(jù)與擴(kuò)散模型模擬進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。張朝能[9]對(duì)重氣濃度采用三維計(jì)算流體力學(xué)，并進(jìn)行場景網(wǎng)格劃分，說明邊界條件，使用Gambit虛擬功能，生成網(wǎng)格，再運(yùn)用Fluent數(shù)字模擬，重氣擴(kuò)散過程采用SIMPLE算法，對(duì)不同因素風(fēng)洞試驗(yàn)中的觀測點(diǎn)的風(fēng)速與高度變化規(guī)律和濃度進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)論為重氣擴(kuò)散過程中重氣效應(yīng)明顯，重氣濃度差異較大；是在控制的泄放質(zhì)量流率等試驗(yàn)條件不變的情況下，湍流擴(kuò)散系數(shù)與地面粗糙度、下風(fēng)距離、大氣穩(wěn)定度、大氣壓和氣溫共同影響作用的。姜傳勝[10]等在風(fēng)洞中連續(xù)對(duì)重氣的泄露與SLAB重氣擴(kuò)散模型進(jìn)行數(shù)值模擬得出的結(jié)果基本吻合，在擴(kuò)散試驗(yàn)時(shí)近源區(qū)存在交叉現(xiàn)象。

3 模型研究

模型作為一種重要的評(píng)估工具被用于城市空氣質(zhì)量評(píng)估，為污染控制戰(zhàn)略及決策制定提供支持。重氣擴(kuò)散模型通過數(shù)學(xué)建模，成為分析重氣泄露污染、對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行定量和定性研究的重要手段，是試驗(yàn)和模擬大氣污染物時(shí)空分布的主要工具，為在泄露發(fā)生時(shí)應(yīng)急防護(hù)提供理論支持，也是制定法規(guī)與控制對(duì)策的理論依據(jù)。

20世紀(jì)70、80年代，國外就開始了對(duì)重氣泄露擴(kuò)散方面的一系列研究，開展了大量不同重氣的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，為重氣擴(kuò)散的理論建立提供了可靠數(shù)據(jù)，因此而得出和建立了多種重氣擴(kuò)散模型。從20世紀(jì)70年代起，國外根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)相繼建立和不斷完善了一系列的重氣擴(kuò)散過程分析模型。Van Ulden[11]提出了箱模型，Manju[12]進(jìn)行開發(fā)和驗(yàn)證并計(jì)算效率稠密氣體分散模型用于應(yīng)急，IIT重氣體模型I和II為瞬時(shí)和持續(xù)濃密的大氣中有毒物質(zhì)，強(qiáng)調(diào)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域模型驗(yàn)證與性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其他模型進(jìn)行對(duì)比。

國內(nèi)對(duì)重氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的研究起步較晚。1996年原化工部勞動(dòng)保護(hù)研究所運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、物理模擬和數(shù)學(xué)模擬開發(fā)HLY模型及計(jì)算機(jī)仿真，建立模擬和管理系統(tǒng)[13]。潘旭海[14]等對(duì)重氣團(tuán)泄露擴(kuò)散采用插分和牛頓迭代法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，且試驗(yàn)和模型模擬對(duì)比分析誤差較小，證明重氣瞬時(shí)泄露擴(kuò)散模型的模擬精準(zhǔn)度高。鄭遠(yuǎn)攀[15]對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有的模型進(jìn)行總結(jié)，并指出國內(nèi)現(xiàn)有提高的模型，并需要特定的數(shù)學(xué)全過程模擬、與GIS和GIS系統(tǒng)融合使模型更加具有實(shí)用性。李劍峰[16]等研究山地如何選擇湍流模型，試驗(yàn)以ANAYS的FLUENT進(jìn)行大范圍重氣擴(kuò)散數(shù)值模擬。朱紅萍[17]以VisualBasic和Fortran為語言工具，在TECPLOT平臺(tái)上進(jìn)行圖形可視化輸出，建立了模型SLAB的重氣泄露評(píng)估致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和吸入反應(yīng)區(qū)的后果和重氣理化參數(shù)信息庫，表現(xiàn)出不同區(qū)域的危害，能為事故的預(yù)防、發(fā)生等提供重要作用，提高參考價(jià)值。

4 結(jié)論及建議

目前國內(nèi)使用的重氣泄露擴(kuò)散模型主要是國外的一些模型，引入國外模型的本土優(yōu)化是一個(gè)重要的課題。此外，人類對(duì)大氣物理、大氣化學(xué)等自然現(xiàn)象的認(rèn)知水平有限，實(shí)驗(yàn)、觀測、分析技術(shù)手段不足，模擬結(jié)果與真實(shí)值難免存在誤差，今后在模型的選取方面應(yīng)該更加貼近實(shí)際情況，根據(jù)我國的地形氣象特征，選取適合的符合我國環(huán)境條件的模型，并對(duì)相關(guān)模型參數(shù)以實(shí)際條件為基礎(chǔ)進(jìn)行不斷改進(jìn)和優(yōu)化。在越來越多新興技術(shù)的發(fā)展前提下，傳統(tǒng)的對(duì)重氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究手段或方法應(yīng)該進(jìn)行更新或改進(jìn)，使研究取得的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠，研究結(jié)論更加科學(xué)可信。

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ResearchProgressofHeavyGasLeakage

LIU Hong-hao, QIU Fei, XIANG Feng
(Yunnan Environmental Monitoring Center, Kunming Yunnan 650034 ,China)

Heavy gas diffusion was reviewed as well as the main research methods and research progress both at home and abroad. At present, most heavy gas diffusion models came from other countries. More suitable models that fitted to China's environmental situations should be improved based on China's geography and climate. The traditional research method needed to be innovated in order to obtain more real and accurate data and scientific conclusions.

heavy gas; regularity of diffusion; research progress; summary

2017-05-11

X16

A

1673-9655(2017)06-0064-04