燃油試驗室內航空煤油蒸汽擴散的數值模擬

段安鵬

【摘 要】本文采用數值模擬方法，針對燃油試驗室廠房內航空煤油蒸汽，在不同工況下，計算煤油蒸汽的濃度分布規(guī)律。結果表明：通風裝置的空氣流速對煤油蒸汽濃度影響較大，當空氣流速為2m/s時，空間內濃度最低；空間內環(huán)境溫度升高，煤油蒸汽濃度增大，當溫度達閃點時，煤油蒸汽擴散加劇；廠房空間內采用底部送風的方式，能明顯降低整個空間內煤油蒸汽的濃度。

【關鍵詞】氣體擴散；航空煤油；數值模擬

Numerical Simulation of Aviation Kerosene Steam Diffusion in Fuel Lab

DUAN An-peng

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In order to investigate the diffusion regularity of aviation kerosene steam in fuel lab，numerical simulation method was used to calculate the kerosene steam concentration rule in different conditions.The results show that ventilations air flow rate has a great influence on the kerosene steam concentration.When the air flow rate was 2m/s，the kerosene steam concentration was lowest.With the increase of space environment temperature，kerosene steam concentration increased gradually.By using the method of supply air in bottom，the kerosene steam concentration can be reduced effectively.

【Key words】Gas diffusion；Aviation kerosene；Numerical simulation

0 引言

航空煤油作為一種易揮發(fā)且易燃易爆的危險化學品，一旦發(fā)生泄漏擴散，極易破壞周圍環(huán)境和造成人員傷亡，因此，分析其在燃油試驗室的擴散分布規(guī)律尤為重要，同時，對于燃油試驗室的安全設計及泄漏事故的應急處理具有重要的意義。

目前，對于危險化學品氣體泄漏擴散過程的研究方法有三種：現場試驗、風洞試驗及數值模擬[1]?，F場試驗與真實環(huán)境更為接近，但試驗成本高昂，周期長；風洞試驗和現場試驗類似，同樣需要較高的試驗成本；近些年，隨著計算流體力學的發(fā)展，數值模擬在計算氣體擴散方面得到了大量應用。國外學者已經提出高斯模型[2]，唯象模型[3]，FEM3模型[4]等來計算氣體的泄漏擴散過程。相比之下，國內起步相對較晚，仍然處于初步階段。目前，文獻[5-8]通過數值模擬手段對開放空間中的可燃氣體的泄漏擴散過程進行了計算，結果表明數值模擬的方法可以用于室外環(huán)境中的氣體擴散模擬過程。文獻[9-10]對受限空間內的氣體泄漏過程進行了計算，得到了氣體擴散后的空間分布規(guī)律。

雖然上述學者已經證明數值模擬手段可以用于各類空間中的氣體擴散過程，但前人的研究對象大都為天然氣，而本文研究的是航空煤油蒸汽，由于各類氣體之間的物性差別較大，擴散過程各有差別，上述研究成果并不完全適用于本文的研究對象。對此，本文采用數值模擬方法對航空煤油蒸汽的擴散過程進行初步計算，并在不同空氣流速、環(huán)境溫度及通風方式下，分析航空煤油蒸汽在試驗室空間內的濃度分布規(guī)律，并提出相應的燃油試驗室安全措施建議。

1 計算方法

1.1 控制方程

本文采用非穩(wěn)態(tài)方法進行計算，對航空煤油蒸汽的擴散過程采用組分輸運模型，忽略化學反應。對于不涉及化學反應的單相多組分擴散問題，需求解一個連續(xù)性方程、三個動量方程、一個能量方程和一個組分輸運方程，以及兩個湍流量的方程[11]。其中，湍流模型采用RNG k-？著模型，對壁面采用標準壁面函數處理?？刂品匠滩捎靡浑A迎風格式進行離散，壓力差值采用標準壓力差值，耦合算法采用SIMPLEC算法。時間步長控制為0.01s，模擬時間為600s。控制方程如式1所示。

式中：Ds為組分S在空氣中的擴散系數，vs為該組分的體積濃度，Ss為該組分的生產率。

1.2 工況條件

本文設置了4種不同工況，為分析空氣流速的影響，保持煤油蒸汽入口速度不變，環(huán)境溫度均為25℃，只改變空氣流速；為分析環(huán)境溫度的影響，在Case2的基礎上，選取4種環(huán)境溫度值。工況參數如表1所示。煤油蒸汽和空氣入口采用速度入口，各出口采用壓力出口。

1.3 網格劃分

本文針對燃油試驗室廠房（x×y×z為35m×45m×25m），將計算區(qū)域進行簡化，計算區(qū)域共設置6個空氣入口（1m×1m），煤油蒸汽入口（12m×13m）及混合氣體出口（12m×13m）各1個，如圖1所示。

在保證計算精度的情況下，為減小計算量，對計算區(qū)域采用四面體網格進行劃分，并在空氣入口及煤油蒸汽入口處進行局部加密處理，如圖2所示。為驗證網格無關性，本文進行了4種數量的網格劃分，如表2所示。選擇Case1的工況條件進行計算，可以得出，當網格數量增長到216萬時，BCD三種網格的計算結果相差較小，如圖3所示。綜合考慮，本文采用C數量的網格進行計算。

2 結果分析

2.1 空氣流速對煤油蒸汽濃度分布的影響

煤油蒸汽進入廠房空間后不斷聚集，整個空間內的蒸汽濃度上升，出于防爆考慮，必須通過通風設施降低整個空間內的煤油蒸汽濃度。本文采用輸入空氣的方式來降低整個空間的煤油蒸汽濃度。為研究空氣流速對煤油蒸汽濃度分布的影響，選取Z=1.8m的平面為研究對象，計算結果如圖4所示。

（a）Case1（b）Case2

（c）Case3（d）Case4

從圖4中可以看出，隨著空氣流速的增大，平面內的煤油蒸汽濃度分布逐漸降低。當工況為Case1時，空氣流速為0.5m/s，平面左側區(qū)域內含有大量的煤油蒸汽，其中靠近中心位置的濃度最高，這是由于該位置處于煤油蒸汽入口的正上方。當空氣流速增大到2m/s時，整個平面內煤油蒸汽濃度處于最低水平?？梢缘贸?，向廠房內輸送空氣可以有效降低空間內部的煤油蒸汽濃度，使廠內更加安全。

2.2 環(huán)境溫度對煤油蒸汽濃度的影響

環(huán)境溫度會影響空間內的煤油蒸汽的濃度分布，一方面，航空煤油極易揮發(fā)，溫度升高會加速航空煤油的揮發(fā)；另一方面，當各位置間存在溫度差時，氣體運動會形成對流，進而影響空間內部的煤油蒸汽的濃度分布。同時，由于航空煤油閃點（38℃）較低，易燃易爆，因此廠房內部必須防止溫度過高。為此，本文選取Case2工況，在4種溫度條件（25℃、30℃、35℃、40℃）下進行計算，X=17.5m的截面上的計算結果如圖5所示。

（a）t=25℃（b）t=30℃

（c）t=35℃（d）t=40℃

通過圖5可以看出，當環(huán)境溫度為25℃時，煤油蒸汽分布較為分散，空間各位置濃度較低；當溫度升高到30℃時，地面位置左側區(qū)域煤油蒸汽濃度明顯增大，這是由于該區(qū)域靠近煤油蒸汽入口，溫度升高加快了煤油的揮發(fā)；當溫度繼續(xù)升高至35℃，從（c）中可以看出，煤油蒸汽開始向地面右側區(qū)域蔓延；當溫度升高到40℃時，很明顯可以看到地面區(qū)域的濃度繼續(xù)增大，尤其在入口位置，而且廠房內上層空間的煤油蒸汽濃度也逐漸增大?？梢缘贸?，環(huán)境溫度的升高，使得廠房內煤油蒸汽濃度上升，擴散范圍增大，當溫度超過煤油蒸汽閃點溫度時，影響明顯。為此，在廠房內部進行試驗時，應采取措施防止廠房內溫度過高。

2.3 通風方式對煤油蒸汽濃度的影響

通風方式會對空間內氣體流動會產生重要影響，進而影響煤油蒸汽在廠房內分布。為分析通風方式對煤油蒸汽濃度的影響，本文選取Case3的工況條件，在廠房正中心位置，選取人員活動較密集的空間（Z=0～5m）為監(jiān)測區(qū)域，分別計算了三種通風口組合形式下的煤油蒸汽濃度分布狀況，其中，A方式：如圖2所示；B方式：在A方式的基礎上，6組通風口位于該側廠房墻壁最頂部；C方式：A方式基礎上，一側3組通風口位于該側廠房墻壁頂部，另一側3組通風口位置不變。計算結果如圖6所示。

通過圖6可以看出，3種通風方式條件下，隨著高度的增加，煤油蒸汽濃度先逐漸升高，然后逐漸降低，當高度超過4m后，濃度逐漸穩(wěn)定。這是由于廠房內整個空間較大，煤油蒸汽揮發(fā)速率一定，在一定時間內，煤油蒸汽只能集中在某一高度下。同時可以看出，在2m以下的空間內，煤油蒸汽濃度上升速率較快，其中B方式下濃度上升速率最高，其次是C方式，最低為A方式。這是由于B方式的通風口全部位于頂部，而煤油蒸汽入口位于廠房底部，造成絕大部分的煤油蒸汽均集中在廠房的底部，由此可見，這種方式不利于降低廠房內部煤油蒸汽的濃度。A方式的通風口全部位于廠房底部，能夠及時稀釋剛揮發(fā)的煤油蒸汽。當高度超過2m后，煤油濃度逐漸降低直至平穩(wěn)，其中A方式下的濃度最低。這是由于，一方面，煤油揮發(fā)速率有限，隨著高度增加濃度逐漸降低，另一方面，A通風方式位于煤油較為集中的區(qū)域內，對煤油蒸汽濃度具有更強的稀釋作用；C方式中有部分通風口位于煤油蒸汽集中區(qū)域內，稀釋作用相對A較弱；B方式作用最弱。由此可見，三種通風方式中，采用A方式能更為有效的降低人員活動密集區(qū)域空間內的煤油蒸汽濃度。

3 結論

通過對燃油試驗室廠房空間內煤油蒸汽擴散進行數值模擬，得出以下結論：

1）向廠房內部輸送空氣能夠有效降低煤油蒸汽的濃度。

2）空間內環(huán)境溫度升高，煤油蒸汽濃度增大，擴散范圍擴大，當溫度達煤油閃點溫度時，影響明顯。

3）采用通風口布置在空間內底部的方式，能夠有效降低空間內煤油蒸汽濃度。

根據結論，為降低燃油試驗室安全風險，應采取措施防止室內環(huán)境溫度過高，同時通風設施的布置位置應盡量位于廠房底部。雖然本文通過采用數值模擬方法得出了相應結論，但鑒于計算成本及周期，對燃油試驗室中廠房內部結構進行了適當簡化，以及忽略了設備運轉發(fā)熱、人員活動等因素對蒸汽擴散的影響，因此得出的僅為初步結論，之后，對于完善該方法仍然有必要進行進一步的研究。

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[責任編輯：田吉捷]