基于FLUENT的LPG球罐泄漏擴散規(guī)律探究

馮博 馬云龍 王家遠

基于FLUENT的LPG球罐泄漏擴散規(guī)律探究

馮博1,2馬云龍1,2王家遠1,2

1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院 2.山東科技大學(xué)省部共建礦山災(zāi)害預(yù)防控制國家重點實驗室培育基地

針對液化石油氣球罐泄漏擴散問題,基于計算流體動力學(xué)軟件FLUENT,參照某型號球罐,建立球罐的三維模型。模擬得到LPG的泄漏擴散分布規(guī)律,并根據(jù)LPG的1.5%(φ)～9.5%(φ)爆炸極限確定LPG泄漏后的危險區(qū)域。模擬結(jié)果得出LPG泄漏擴散的規(guī)律并以此預(yù)測LPG泄漏擴散危險區(qū)域。為此類事故的預(yù)防、控制以及人員應(yīng)急逃生等提供了參考。

球罐 FLUENT 天然氣泄漏 擴散規(guī)律 數(shù)值模擬

液化石油氣(LPG)的密度與空氣相近,易在空氣中擴散,并向地勢較低處流動,在通風(fēng)不良的情況下發(fā)生積聚,進而與空氣混合形成爆炸性混合物[1-3]。球罐作為大容量、承壓的球形儲存容器,廣泛應(yīng)用于LPG等可燃氣體的儲存且儲量巨大。大多數(shù)球罐一旦發(fā)生泄漏爆炸事故,往往會造成巨大的人員傷亡與財產(chǎn)損失[4-5]。所以,研究LPG儲罐的泄漏擴散規(guī)律,對事故發(fā)生后的應(yīng)急處理具有實際意義。

FLUENT是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬軟件之一,在流體熱傳遞和離散源的模擬方面有很大優(yōu)勢,并具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值分析方法和強大的后處理系統(tǒng)。因此,本研究采用FLUENT軟件模擬球罐泄漏擴散的過程,通過分析泄漏后達到爆炸極限的區(qū)域變化,為制定應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型與基本條件假設(shè)

1.1 數(shù)學(xué)模型

LPG的泄漏擴散過程可以用CFD模型來計算。CFD模擬是基于基本的守恒方程(質(zhì)量、動量、能量守恒方程等),在初始條件和邊界條件的約束下進行數(shù)值計算,對指定的流場進行仿真模擬[6]。

本次模擬涉及到的方程如下。

(1)連續(xù)方程(質(zhì)量守恒):

式中:ρ為氣體密度,x為坐標,u為速度矢量,t為時間。

(2)Navier-Stokes方程:

式中:p為湍流有效壓力;μ為層流黏性系數(shù);μt為湍流黏性系數(shù),μt=ρCμk2/ε,k為湍動能,ε為湍動能耗散率,Cμ取0.09。

(3)組分質(zhì)量守恒方程:

式中,cs為組分s的體積濃度;ρcs為該組分的質(zhì)量濃度;Ds為該組分的擴散系數(shù);Ss為系統(tǒng)內(nèi)部時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量,即生產(chǎn)率。

在本次模擬中的流場為湍流,故采用k-epsilon模型。該模型基于渦流黏滯度理論進行方程閉合,是適用面最廣的湍流方程,適用于氣體的擴散模擬[7]。

1.2 基本條件假設(shè)

模擬時假設(shè)和簡化條件如下:

(1)LPG儲罐發(fā)生泄漏后,泄漏源的源強為連續(xù)、均勻的。

(2)泄漏氣體的質(zhì)量是守恒的,在整個過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變。

(3)泄漏過程中,風(fēng)向恒為水平方向,不隨高度發(fā)生變化。

(4)不考慮氣體的熱傳遞[8]。

2 物理模型

2.1 模型構(gòu)建

本次模擬的計算區(qū)域為長220 m、寬100 m、高60 m的長方體,其中左側(cè)面為速度進口,地面為壁面,其他面為自由出流。球罐距離左側(cè)面20 m。球罐半徑為9 m,容積為3 000 m3,球心距地面10.6 m,由10根立柱支撐。根據(jù)情況劃分網(wǎng)格,設(shè)定約束條件,最后以mesh文件格式輸出。

網(wǎng)格生成情況如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

(1)環(huán)境參數(shù):環(huán)境壓力為101 325 Pa,溫度為300 K。

(2)風(fēng)向沿Y軸正方向,風(fēng)流為勻速,速度大小取3 m/s(山東省平原地區(qū)平均風(fēng)速為2.5～3 m/s[9],本研究取較大值)。

(3)泄漏物參數(shù):在LPG中,丙烷質(zhì)量分數(shù)為90%以上,所以LPG密度取丙烷密度1.91 kg/m3,爆炸極限取較廣范圍1.5%～9.5%(體積分數(shù),下同)[10]。

(4)泄漏源參數(shù):泄漏孔為半徑0.2 m的圓形,距地面10.6 m。LPG儲罐發(fā)生泄漏時,因壓力降低而氣化,故屬于氣相泄漏。泄漏時氣體流速為100 m/s,泄漏時間為170 s。

3 模擬結(jié)果分析

首先,通過k-epsilon標準湍流模型對風(fēng)流場進行模擬,再通過Species Transport模型對瞬態(tài)(時間尺度)LPG擴散運輸流場進行設(shè)置,采用simple算法進行求解計算。根據(jù)需要,提取不同時刻的數(shù)據(jù)對LPG的泄漏及擴散規(guī)律進行分析[11]。并依據(jù)相關(guān)的法律法規(guī)及生產(chǎn)經(jīng)驗,制定合理可靠的應(yīng)急預(yù)案[12]。

3.1 氣體泄漏后危險區(qū)域分析

LPG的爆炸極限為1.5%～9.5%(相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)為2.0%～12.7%)。在泄漏過程中質(zhì)量分數(shù)高于爆炸上限的區(qū)域一般處于高于爆炸下限的區(qū)域內(nèi)部,故將LPG質(zhì)量分數(shù)達到爆炸下限的區(qū)域視為危險區(qū)域。

LPG泄漏的危險區(qū)域橫向縱向上的擴散范圍隨時間變化的情況如圖2所示。在0～70 s時,橫向泄漏范圍不斷擴大且增長速度先增大后減小再增大,運用MATLAB擬合曲線為y=2.0212x3-31.036x2+160.86x-127.32,最大范圍可達200 m;縱向范圍呈線性增長,擬合曲線為y=12.069x-15.786,最大范圍可達80 m。在80 s,橫向范圍驟降至150 m后維持穩(wěn)定,縱向范圍降至50 m后維持穩(wěn)定。

氣體泄漏擴散分為兩個階段。

第一階段為加速階段(0～70 s)。如圖3所示,在泄漏初期,由于風(fēng)速的影響,泄漏氣體沿泄漏方向快速擴散,并在重力作用下迅速下沉,沿地表運動(LPG相對于空氣密度為1.48)。在這一階段,氣體的擴散速度最快。但泄漏氣體沿泄漏方向的流動速度逐漸放緩,向兩側(cè)的流動速度幾乎不變。氣體沿地表流動,并發(fā)生分叉現(xiàn)象,分為兩股較小氣流向兩側(cè)流動。

在橫向上,泄漏氣體一直進行加速運動,并在階段末期達到最大范圍。在0～40 s,氣體從球罐噴出后受到空氣阻力以及地面的摩擦阻力影響,運動速度逐漸降低;在40～70 s,氣體的運動模式由空中噴射轉(zhuǎn)為沿地表蔓延,在重力的作用下迅速擴散,運動速度逐漸降低,這一過程往往隱蔽迅速,能夠造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。

在縱向上,氣體擴散速度均勻,以大約12 m/s的速度擴散。

第二階段為平衡階段(80～170 s)。如圖4所示,泄漏氣體分叉現(xiàn)象進一步加劇,擴散速度放緩。泄漏氣體整體呈三角形沿地表蔓延。在這一階段,LPG的擴散作用與對流作用達到平衡,使爆炸危險區(qū)域在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)波動變化。在橫向上,泄漏范圍穩(wěn)定在153.69 m;在縱向上,泄漏范圍穩(wěn)定在52.28 m,泄漏面積穩(wěn)定在4 017.46 m3。當(dāng)氣體運動從第一階段向第二階段發(fā)展時,無論是橫向還是縱向都出現(xiàn)了急劇下降。這是因為氣體在風(fēng)流與重力的共同作用下,迅速擴散并在第一階段末期達到最大泄漏面積。同時,也使得氣體與空氣的接觸面積增大,致使對流加速,危險范圍急劇降低。

3.2 氣體泄漏呼吸帶質(zhì)量分數(shù)分析

人的呼吸帶高度為1.5 m,同時這一高度也是人的主要活動聚集的高度,極易產(chǎn)生點火源,需要進行重點分析。由圖5、圖6及表1分析,可以看出氣體的擴散區(qū)域前部為30°的三角形,后部為矩形。在面積變化上,LPG擴散面積隨時間變化逐漸增大,且增速也隨之增大。在形狀變化上,三角形區(qū)域面積所占比例逐漸增大。在質(zhì)量分數(shù)分布上,前期(0～20 s)擴散區(qū)域LPG質(zhì)量分數(shù)較為均勻;中期(30～60 s)隨著擴散范圍的增大,中部區(qū)域出現(xiàn)質(zhì)量分數(shù)較低的區(qū)域;到了后期(70～80 s),中部的質(zhì)量分數(shù)較低區(qū)域逐漸增大,且隨著時間變化,這一趨勢愈加明顯。

表1 距地面1.5 m處LPG擴散面積及三角形區(qū)域比例Table 1 LPG dispersion area at 1.5 m above the ground and proportion of the triangle area

3.3 泄漏后撤離線路分析

如圖7所示,當(dāng)泄漏發(fā)生時,處于距泄漏點較遠的下風(fēng)處危險區(qū)域的人員應(yīng)該向泄露點兩側(cè)疏散,處于距泄漏點較近兩側(cè)區(qū)域的人員應(yīng)該向上風(fēng)處撤離。由圖2的分析可知,在風(fēng)向上的泄漏范圍最遠可達202.4 m,故在下風(fēng)處202.4 m范圍以內(nèi)的人員應(yīng)優(yōu)先撤離。

4 結(jié)論

本文運用FLUENT軟件中的組分輸運模型對一起較為典型的LPG球罐泄漏事故進行數(shù)值模擬,較大程度上對LPG泄露擴散過程進行了真實還原,且具有一定的代表性,對生產(chǎn)事故的預(yù)防與應(yīng)急處置有一定指導(dǎo)作用。根據(jù)模擬結(jié)果進行分析總結(jié),得出以下主要結(jié)論。

(1)由模擬結(jié)果可知,LPG密度大于空氣,會沿地表蔓延,在低洼處沉積。在日常的安全管理中,應(yīng)杜絕地勢較低處的點火源,并加強通風(fēng)措施以預(yù)防積聚。

(2)在LPG泄漏的前期,其擴散速度極快,可在70 s短時間內(nèi)達到最大面積,但隨后可能發(fā)生爆炸事故的危險區(qū)域面積不再擴大,而是穩(wěn)定在一個固定范圍。

(3)在人員活動頻繁的距地表1.5 m處,LPG氣體覆蓋區(qū)域前部為三角形,后部為矩形,并隨著擴散的進一步進行,三角部分面積比例不斷增大。根據(jù)模擬的結(jié)果,該區(qū)域應(yīng)盡量避免動火作業(yè)。

(4)在制定安全對策措施時要考慮最不利的情況。由分析可知,發(fā)生泄漏后泄漏源下風(fēng)處最先達到LPG的爆炸極限濃度,處于正下風(fēng)側(cè)方向的人員受到危害性最大,可用于疏散的時間最短,應(yīng)對該區(qū)域人員進行優(yōu)先撤離,而當(dāng)風(fēng)向為其他方向的時候,人的逃離時間相對長一些。

[1]宋文華,董影超,謝飛.液化石油氣儲罐泄漏發(fā)生爆炸事故的后果分析[J].南開大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,45(1):106-111.

[2]朱伯齡,於孝春,李育娟.氣體泄漏擴散過程及影響因素研究[J].石油與天然氣化工,2009,38(4):354-358.

[3]楊海,張一先.液化石油氣儲槽兩次爆炸事故的不確定性影響分析[J].石油與天然氣化工,2002,31(3):156-160.

[4]孫德青,姚安林.液化石油氣球罐失效因素的模糊分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2007,28(1):15-17.

[5]金鑫.液化石油氣儲罐泄漏擴散及火災(zāi)模擬研究[D].大連:大連交通大學(xué),2013.

[6]黃琴,蔣軍成.重氣泄漏擴散實驗的計算流體力學(xué)(CFD)模擬驗證[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2008,18(1):50-55.

[7]王東東,劉茂,李劍峰.FLUENT在公路隧道有毒氣體事故泄漏擴散研究中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2008,8(2):140-143.

[8]孫珀,黃平.液化天然氣泄漏擴散數(shù)學(xué)模型分析[J].科技導(dǎo)報,2008,26(10):83-86.

[9]王金霞.山東省風(fēng)能資源分析評估[D].蘭州:蘭州大學(xué),2007.

[10]吳志遠,胡雙啟.點火能對液化石油氣爆炸壓力影響的試驗研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2008,8(5):138-141.

[11]潘旭海,蔣軍成.重氣云團瞬時泄漏擴散的數(shù)值模擬研究[J].化學(xué)工程,2003,31(1):35-39.

[12]任戈峰.液化石油氣(LPG)儲罐事故應(yīng)急救援處置[J].上海煤氣,2008(6):36-39.

Study on leakage and diffusion of LPG spherical tank based on FLUENT

Feng Bo1,2,Ma Yunlong1,2,Wang Jiayuan1,2
1.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,China;2.Key Lab of Mine Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,China

In order to study the leakage and diffusion of LPG spherical tank,a three-dimensional model of spherical tank by taking a spherical tank as reference,was established based on a computational fluid dynamics software FLUENT.The danger zone after the leakage of natural gas was determined according to LPG explosion limit of 1.5%-9.5%.Simulation results showed that the leakage and diffusion laws of LPG and further the danger zone of the leakage and diffusion of LPG could be predicted based on these factors.This paper provided a reference for the prevention,control and emergency escape of similar accidents.

spherical tank,FLUENT,LPG leakage,diffusion law,numerical simulation

X932;TE88

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.020

馮博(1994-),男,碩士研究生,現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué),主要從事危險源辨識工作。E-mail:skfb1994@126.com

2017-06-05;編輯:鐘國利