隧道內(nèi)通風(fēng)及障礙物對(duì)甲醇蒸氣擴(kuò)散的影響分析*

陳長坤，王瑋玉，史聰靈，劉晅亞

(1. 中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所, 湖南 長沙 410075； 2. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運(yùn)安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；3. 建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300381)

0　引言

隨著?；费h(huán)的加快，在這個(gè)過程中必然存在一定的泄漏、事故隱患。公安部上海消防研究所對(duì)我國危化品泄漏事故統(tǒng)計(jì)分析[1]顯示運(yùn)輸階段發(fā)生泄漏事故比重為77%，泄漏物質(zhì)中易燃液體占比高達(dá)23%。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于有毒有害物質(zhì)的泄漏擴(kuò)散的研究已較多。許多學(xué)者采用CFD方法對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散評(píng)價(jià)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、Burro實(shí)驗(yàn)、Thorney Island Trial 026實(shí)驗(yàn)以及其他自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證性研究，結(jié)果表明CFD軟件模擬較為符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2-5]；潘旭海、武志峰、李晰睿等人在LNG泄漏擴(kuò)散領(lǐng)域，研究也較為深入，取得許多成果[6-8]；Luketa-Hanlin等人[9-10]對(duì)CFD方法在LNG泄漏及蒸氣擴(kuò)散領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探討；Sklavounos[11]等人研究了低溫條件下液氫和液化天然氣泄漏及蒸氣擴(kuò)散規(guī)律，并說明了CFD軟件在蒸氣擴(kuò)散方面研究的可靠性； He[12]等人對(duì)受限空間內(nèi)的蒸汽云的形成進(jìn)行了研究，并提出了液氣轉(zhuǎn)化模型，為實(shí)際中低沸點(diǎn)易燃液體的操作和儲(chǔ)存提供了理論依據(jù)；Bubbico[13]對(duì)公路隧道內(nèi)有毒物質(zhì)泄漏及蒸汽擴(kuò)散進(jìn)行了深入研究，并考慮了通風(fēng)的因素，進(jìn)一步完善了受限空間內(nèi)蒸氣擴(kuò)散理論研究；還有學(xué)者對(duì)LPG事故、氣體擴(kuò)散動(dòng)態(tài)模型、水幕對(duì)重氣擴(kuò)散的影響、汽油蒸氣擴(kuò)散爆炸等進(jìn)行了研究，并得到有價(jià)值的成果[14-17]。這些研究成果對(duì)有毒有害物質(zhì)的泄漏擴(kuò)散事故的預(yù)防與處置都具有重要的指導(dǎo)意義。

以上研究大多為開放空間中有毒有害物質(zhì)的泄漏擴(kuò)散，且物質(zhì)多為氣體或液化氣體，而對(duì)于隧道內(nèi)低沸點(diǎn)易燃液體的研究涉及較少，因此有必要結(jié)合隧道的狹長半封閉空間特點(diǎn)，考慮內(nèi)部車輛、風(fēng)速等對(duì)易燃液體蒸發(fā)擴(kuò)散規(guī)律的影響進(jìn)行研究，以期為該類泄漏事故的應(yīng)急處置提供必要的理論支持和參考。

1　模型建立

1.1　常溫下易燃液體蒸發(fā)速率計(jì)算

對(duì)于可認(rèn)為無邊界的較深液池而言，可認(rèn)為液體本身溫度與環(huán)境溫度相等，液體中存在一維傳熱過程。依據(jù)James G. Quintiere的研究[18]，把易燃液體的蒸發(fā)看做低質(zhì)量一維穩(wěn)態(tài)流，理想條件下，有：

(1)

式中：mg為液體蒸發(fā)質(zhì)量流量，g/(m2·s)；Tb為初始溫度，K；Ts為蒸發(fā)溫度，K；h為液面與空氣對(duì)流換熱系數(shù)”，W/(m2·K)；hfg為氣化熱，J/g。

而實(shí)際情況下，易燃液體泄露后形成淺液池，需要考慮地面與液體表面之間的換熱作用，其對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為hL，則液面上方能量守恒方程為：

mghfg=h(T∞-Ts)+hL(TD-Ts)

(2)

式中：T∞為環(huán)境溫度，K；TD為地面溫度，K。

取T∞=TD，(1)式和(2)式聯(lián)立可得：

(3)

因此，以甲醇為例，環(huán)境溫度取25℃，液面與空氣對(duì)流換熱為8 W/(m2·K)，液體與地面對(duì)流換熱為10 W/(m2·K)時(shí)，由(3)式可求得Ts=272 K，代入(1)式即該條件下甲醇液體蒸發(fā)質(zhì)量流量mg=0.44 g/(m2·s)。

1.2　網(wǎng)格劃分及工況設(shè)置

采用ICEM建立模型，網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模型尺寸為80 m×6 m，易燃液體蒸發(fā)位置位于模型(隧道)的中間，長5 m，蒸氣產(chǎn)生部位網(wǎng)格尺寸為0.05 m×0.1 m，兩側(cè)網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m。模型兩側(cè)洞口為速度入口，上下邊界為絕熱壁面，溫度為298 K，壓力為101 325 Pa；模擬中易燃液體采用甲醇，蒸發(fā)質(zhì)量流率為0.44 g/(m2·s) ，定義風(fēng)向從左向右為正向，工況設(shè)置如表1所示。為更加全面的分析隧道內(nèi)蒸氣的分布，對(duì)隧道內(nèi)高度為1.5 m處進(jìn)行濃度變化監(jiān)測，一輛車工況中，車輛緊鄰蒸發(fā)區(qū)域右側(cè)，隧道內(nèi)車輛位置及監(jiān)測位置如圖1所示。

表1　工況設(shè)置

圖1　蒸氣濃度監(jiān)測及車輛位置示意Fig.1　Layout diagram of vapor monitoring location and vehicles

2　結(jié)果分析

2.1　障礙物及通風(fēng)條件對(duì)蒸氣擴(kuò)散分布規(guī)律的影響分析

圖2給出了隧道內(nèi)存在單障礙物時(shí)，不同通風(fēng)速率下甲醇蒸氣擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律?？梢钥闯?，蒸氣擴(kuò)散后在隧道內(nèi)形成了較為穩(wěn)定的濃度梯度，蒸汽擴(kuò)散與風(fēng)速呈正相關(guān)，且隧道中上部蒸氣濃度較低，蒸氣擴(kuò)散也產(chǎn)生了微弱的回流；對(duì)于不同風(fēng)向，障礙物處于泄漏源的下風(fēng)向時(shí)，混合氣體流動(dòng)受到阻擋，導(dǎo)致蒸氣主要集中于車輛下部，下游蒸氣濃度較低且濃度梯度線位置高度相對(duì)較低，而障礙物處于泄漏源的上風(fēng)向時(shí)，穿過障礙物的紊亂氣流作用于泄漏源上方蒸氣，濃度梯度線位置相對(duì)較高，更能加劇蒸氣擴(kuò)散。

圖2　不同風(fēng)速風(fēng)向下蒸氣的擴(kuò)散分布云圖(單障礙物)/mFig.2　Nephogram of vapor distribution under different directions and velocity of wind (Single obstacle condition)/m

圖3　不同風(fēng)速風(fēng)向下蒸氣的擴(kuò)散分布云圖(多障礙物)/mFig.3　Nephogram of vapor distribution under different directions and velocity of wind (Multi-obstacle condition)/m

圖4　甲醇蒸氣質(zhì)量濃度等值線(單障礙物)/mFig.4　Contours of the methanol vapor distribution(Single obstacle condition)/m

圖3給出了隧道內(nèi)存在多障礙物時(shí)，不同通風(fēng)速率下甲醇蒸氣擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律?？梢钥闯?，障礙物較多時(shí)蒸氣擴(kuò)散規(guī)律整體上與單障礙物時(shí)基本一致，但也存在不同之處，此時(shí)風(fēng)向的影響更加復(fù)雜，由于正向通風(fēng)時(shí)，泄漏源下風(fēng)向存在的障礙車輛多于負(fù)向通風(fēng)工況，相對(duì)而言，正向通風(fēng)時(shí)阻礙較大，氣流在車輛間更容易形亂流，使混合氣流難以向隧道口流動(dòng)，因此其下風(fēng)向蒸氣積聚現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

2.2　蒸氣擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域分析

甲醇蒸氣爆炸極限為6%～36%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6.5%～38.3%，則在隧道內(nèi)甲醇蒸氣濃度達(dá)到該范圍的區(qū)域危險(xiǎn)性較大。圖4為單障礙車輛時(shí)不同風(fēng)速及方向下蒸氣擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)分布。可以看出，風(fēng)速為1 m/s時(shí)，正向通風(fēng)情況下，由于泄漏區(qū)域下風(fēng)向存在障礙物，混合氣體流動(dòng)受阻，上部蒸氣濃度僅1%左右，因此危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在地面附近；負(fù)向通風(fēng)時(shí)，由于通風(fēng)受到車輛的阻礙，導(dǎo)致下游形成的危險(xiǎn)區(qū)域水平方向上距離要比前者小，但在垂直方向上高度比前者大；另外，兩者蒸氣分布分層穩(wěn)定性都較好。

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí)，氣流快速從車底穿過時(shí)向上的流動(dòng)加速了蒸氣的擴(kuò)散，正向通風(fēng)和負(fù)向通風(fēng)工況下均在100 s內(nèi)形成較為穩(wěn)定的分布，液體蒸發(fā)區(qū)下游危險(xiǎn)區(qū)域快速形成，且區(qū)域面積更大。

圖5為多障礙車輛時(shí)甲醇蒸氣擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域分布?？梢钥闯觯蛲L(fēng)風(fēng)速較小時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域的高度邊界離地面較近，分層相對(duì)較少，風(fēng)速較大時(shí)，車輛首尾位置對(duì)蒸氣的影響作用顯著，造成了車輛底部、車輛之間的蒸氣積聚，分層較多且分布紊亂，危險(xiǎn)區(qū)域主要集中于車輛之間和尾部；負(fù)向通風(fēng)時(shí)，其危險(xiǎn)區(qū)域的面積相對(duì)較小，這是因?yàn)樾孤┰吹纳巷L(fēng)向存在較多的障礙物，作用于泄漏源上方的氣流相對(duì)較弱。

圖5　甲醇蒸氣質(zhì)量濃度等值線(多障礙物)/mFig.5　Contours of the methanol vapor distribution(Multi-obstacle condition)/m

圖6　隧道內(nèi)流場變化(單障礙物)/mFig.6　The variation of the flow field in tunnel (Single obstacle condition)/m

此外，對(duì)比圖4和5可以看出，相同風(fēng)速條件下，障礙物的數(shù)量不同時(shí)，蒸氣的濃度分布差異也十分明顯，障礙物較少時(shí)，蒸氣濃度分布分層明顯且穩(wěn)定，危險(xiǎn)區(qū)域較為規(guī)則，障礙物較多時(shí)，由于障礙物對(duì)氣流的影響較大，也導(dǎo)致蒸氣濃度分層較多且混亂，障礙物附近出現(xiàn)局部積聚現(xiàn)象，規(guī)律性差。

2.3　隧道內(nèi)流場及蒸氣濃度變化規(guī)律分析

2.3.1流場變化規(guī)律分析

以2 m/s通風(fēng)速率為例，對(duì)隧道內(nèi)存在障礙物情況下的流場變化進(jìn)行分析，揭示通風(fēng)與障礙物綜合作用對(duì)甲醇蒸氣擴(kuò)散的影響。

圖6給出了單障礙物時(shí)隧道內(nèi)的流場速度矢量圖和流線圖?？梢钥闯?，速度較大區(qū)域主要位于送風(fēng)側(cè)的車輛邊緣上部區(qū)域，該區(qū)域形成了氣流漩渦，這也是負(fù)向進(jìn)風(fēng)時(shí)蒸氣擴(kuò)散回流的原因；氣流穿過車底會(huì)有向上流動(dòng)的趨勢，從而把蒸氣帶離地面，負(fù)向通風(fēng)時(shí)該現(xiàn)象尤為明顯，這導(dǎo)致了負(fù)向通風(fēng)時(shí)垂直方向上蒸氣分布較廣；隧道上方氣流平穩(wěn)，蒸氣不易積存，因此蒸氣主要分布在隧道中下部；另外，車輛的下風(fēng)向也產(chǎn)生了氣流漩渦，且方向不同，數(shù)量也較多，氣流十分紊亂，這導(dǎo)致蒸氣在該位置積聚較為嚴(yán)重。

圖7給出了多障礙物時(shí)隧道內(nèi)的流場速度矢量圖和流線圖?？梢钥闯觯嗾系K物工況時(shí)，氣流的紊亂整體規(guī)律與單障礙物時(shí)基本一致，且正向和負(fù)向通風(fēng)條件下均有回流現(xiàn)象，但流場變化要比單障礙物時(shí)復(fù)雜很多。正向通風(fēng)時(shí)，經(jīng)過第一障礙車輛的氣流有向上分流的趨勢，經(jīng)過第二障礙車輛時(shí)，氣流在車輛之間形成強(qiáng)烈的漩渦，導(dǎo)致此處蒸氣積聚，第三障礙車輛下風(fēng)向位置存在渦流和回流，蒸氣的積聚現(xiàn)象也較為明顯；負(fù)向通風(fēng)時(shí)，第一障礙車輛對(duì)風(fēng)流有阻礙作用，經(jīng)過第二障礙車輛后，蒸氣向上擴(kuò)散并產(chǎn)生積聚，經(jīng)過第三障礙車輛后，雖然在下風(fēng)向也產(chǎn)生了渦流、回流現(xiàn)象，但該處蒸氣的積聚較正向通風(fēng)時(shí)低。

2.3.2隧道內(nèi)1.5 m高度處蒸氣濃度的變化規(guī)律分析

易燃液體泄露后蒸發(fā)擴(kuò)散，考慮隧道內(nèi)人為用火(抽煙等)產(chǎn)生能量等因素，將隧道內(nèi)1.5 m高度處作為研究對(duì)象，分析該位置處蒸氣濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

圖7　隧道內(nèi)流場變化(多障礙物)/mFig.7　The variation of the flow field in tunnel (Multi-obstacle condition)/m

圖8　隧道內(nèi)1.5 m高度處甲醇蒸氣濃度變化(單障礙物)Fig.8　The variation of the methanol vapor concentration at a height of 1.5 meters in tunnel (Single obstacle condition)

圖8和圖9給出了各個(gè)工況下，隧道內(nèi)1.5 m高度處蒸氣濃度隨時(shí)間的變化曲線。單障礙物時(shí)，風(fēng)速為1 m/s和2 m/s時(shí)，正向通風(fēng)隧道內(nèi)1.5 m高度處蒸氣濃度均未達(dá)到爆炸極限，負(fù)向通風(fēng)時(shí)，在泄漏源的下風(fēng)向存在10～20 m的區(qū)域蒸氣濃度達(dá)到爆炸極限，這是由于經(jīng)過車底的氣流向上分流，攜帶作用較強(qiáng)所致，風(fēng)速為4 m/s時(shí)，正向和負(fù)向通風(fēng)時(shí)均有達(dá)到爆炸極限的區(qū)域，但負(fù)向通風(fēng)時(shí)濃度峰值高于正向通風(fēng)時(shí)10%左右，說明負(fù)向通風(fēng)時(shí)穿過障礙車輛的向上的氣流直接作用于蒸發(fā)區(qū)，加劇了蒸氣擴(kuò)散。風(fēng)向相同時(shí)，風(fēng)速越大越有利于泄漏源蒸氣的擴(kuò)散，同時(shí)也在一定程度上增大了危險(xiǎn)區(qū)域。

多障礙物工況下，隧道內(nèi)1.5 m高度處的濃度整體上要高于單障礙物時(shí)的濃度，且所有工況均出現(xiàn)了濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)的區(qū)域，這是因?yàn)槎嗾系K物工況下，障礙車輛之間及車尾的氣流漩渦導(dǎo)致蒸氣積聚所致；通風(fēng)方向一致時(shí)以及風(fēng)速大小相同方向相反時(shí)，均存在與單障礙物時(shí)基本一致的規(guī)律。

圖9　隧道內(nèi)1.5 m高度處甲醇蒸氣濃度變化(多障礙物)Fig.9　The variation of the methanol vapor concentration at a height of 1.5 meters in tunnel (Multi-obstacle condition)

3　結(jié)論

1)隧道內(nèi)通風(fēng)有利于避免泄露區(qū)域蒸氣積聚，且風(fēng)速越大，擴(kuò)散現(xiàn)象越明顯，但在大面積泄漏事故中，由于蒸氣量較大，通風(fēng)作用也會(huì)擴(kuò)大易燃液體蒸氣危險(xiǎn)區(qū)域。

2)障礙物位于泄漏源的上風(fēng)向時(shí)，通過障礙物的紊亂氣流直接作用于蒸發(fā)區(qū)域，攜帶作用較強(qiáng)，能夠攜帶更多的蒸氣，導(dǎo)致蒸氣在下游空間的分布更廣，蒸氣擴(kuò)散形成的危險(xiǎn)區(qū)域較大；障礙物較多時(shí)，隧道內(nèi)流場紊亂，尤其是障礙物之間位置，產(chǎn)生了氣流漩渦和回流，導(dǎo)致泄漏源的下風(fēng)向蒸氣擴(kuò)散范圍相對(duì)較廣，車輛之間以及車輛尾部存在較為明顯的蒸氣積聚現(xiàn)象，蒸氣分布規(guī)律性較差。

3)在隧道內(nèi)，由于通風(fēng)以及障礙物的綜合影響，易燃液體蒸氣擴(kuò)散產(chǎn)生回流作用，但回流程度較小，同時(shí)由于隧道上部氣流穩(wěn)定，使得蒸氣不易積聚，因此蒸氣主要集中在中下部位置。

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