基于擴(kuò)散分子的動(dòng)力學(xué)及其化工應(yīng)用研究

程新求 李振泉

摘 ?????要：采用分子動(dòng)力模擬計(jì)算方法，對(duì)裝卸過程中液化天然氣泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行分析。采用火焰離子化偵測(cè)器對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)，建立泄漏擴(kuò)散模型，在分子模擬條件下，對(duì)該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，并設(shè)立周期性邊界條件，完成泄漏擴(kuò)散分子動(dòng)力計(jì)算。分析了泄漏時(shí)間和泄漏口位置對(duì)液化天然氣擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明，隨著泄漏時(shí)間的增加，天然氣擴(kuò)散高度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì);天然氣泄漏口位置越低，濃度越大，產(chǎn)生的危害越大。

關(guān) ?鍵 ?詞：裝卸;液化天然氣;泄漏擴(kuò)散;分子動(dòng)力模擬

中圖分類號(hào)：TE 973 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）08-1797-04

Abstract： ?The leakage and diffusion of liquefied natural gas （LNG） during loading and unloading were analyzed by molecular dynamic simulation method. Liquefied natural gas leakage was detected by using a flame ionization detector. And the leakage diffusion model of liquefied natural gas （LNG） was established. Under the condition of molecular simulation， the structural optimization of the model was carried out， and the periodic boundary conditions were set up to complete the molecular dynamic calculation of the leakage and diffusion of liquefied natural gas （LNG）. The effect of leakage time and leakage location on LNG diffusion was analyzed. The results showed that the gas diffusion height increased first and then decreased with the increase of leakage time. The lower the location of natural gas leak， the greater the concentration， and the greater the harm.

Key words： ?loading and unloading; liquefied natural gas; leakage and diffusion; molecular dynamic simulation

液化天然氣是目前人們生活和工作中經(jīng)常使用到的新能源，具有清潔、高效的特點(diǎn)。隨著運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，運(yùn)輸液化天然氣的工具越來越多，比如液化汽船、液化天然氣槽車等，在液化天然氣裝卸過程中，難免會(huì)出現(xiàn)泄漏事故，引起液化天然氣外泄[1]。因其具有可燃、低溫等特殊的理化性質(zhì)，泄漏出來的低溫液體以及蒸發(fā)形成的蒸汽云，會(huì)對(duì)周圍的人和物體造成極大的危害，若遇到火源，造成的危害則更為嚴(yán)重，事故現(xiàn)場(chǎng)將會(huì)非常復(fù)雜，因此，對(duì)裝卸過程中液化天然氣的泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義，只有清楚的了解天然氣泄漏擴(kuò)散的具體細(xì)節(jié)，才能積極采取有效的排險(xiǎn)措施，從而更加科學(xué)的消除危險(xiǎn)隱患，并進(jìn)行安全的救援[2]。

本文對(duì)裝卸過程中液化天然氣泄漏擴(kuò)散分子動(dòng)力計(jì)算方法進(jìn)行研究，首先采用火焰離子化偵測(cè)器對(duì)液化天然氣泄漏進(jìn)行檢測(cè)，通過檢測(cè)結(jié)果對(duì)泄漏的天然氣進(jìn)行濃度估計(jì)，采用分子動(dòng)力模擬計(jì)算方法建立泄漏擴(kuò)散模型，并在不同影響因素下模擬天然氣泄漏擴(kuò)散情況。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)備

液化天然氣在運(yùn)輸過程中容易發(fā)生泄漏，在天然氣裝卸過程中的碰撞會(huì)造成分子擴(kuò)散，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重傷害，為此需要對(duì)液化天然氣裝卸過程中的泄漏現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)。目前，存在兩種檢測(cè)方法：

（1）裝卸過程中專業(yè)人員進(jìn)行人工檢測(cè);

（2）采用專業(yè)設(shè)備對(duì)運(yùn)輸裝置進(jìn)行檢測(cè)。

第一種方法耗費(fèi)人力，若液化天然氣泄漏很小則很難被發(fā)現(xiàn)，存在檢測(cè)誤差。第二種方法采用專業(yè)設(shè)備，能夠檢測(cè)到微小泄漏，具有精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果。因?yàn)槿藗儗?duì)環(huán)保的重視，各類容易揮發(fā)的物質(zhì)運(yùn)輸與排放受到嚴(yán)格限制，大大增加了工作量與工作難度[3]。因此，現(xiàn)在采用第二種方法進(jìn)行檢測(cè)。

目前對(duì)液化天然氣裝卸過程的中泄漏的檢測(cè)，應(yīng)用的是美國(guó)EPA METHOD 21與美國(guó)EPA METHOD 21推薦方法，采用手持式氣體分析儀，內(nèi)置觸媒氧化偵測(cè)器、紅外線吸收偵測(cè)器、光離子化偵測(cè)器以及火焰離子化偵測(cè)器。在使用火焰離子化偵測(cè)器檢測(cè)液化天然氣氣體泄漏時(shí)，將檢測(cè)采樣口放在可能發(fā)生泄漏的部分1 cm以內(nèi)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)環(huán)繞瓶口，獲得泄漏相關(guān)數(shù)據(jù)。具體操作示意如圖1所示。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 ?基于分子動(dòng)力模擬的方法

在裝卸過程中，當(dāng)液化天然氣發(fā)生泄漏事故時(shí)，泄漏出的液化天然氣受熱空氣影響，會(huì)快速形成天然氣氣體。蒸發(fā)初始階段，氣體天然氣自身溫度較低，但其密度較空氣密度高，因而會(huì)在大氣環(huán)境中形成重氣云團(tuán)，并以重汽形式來擴(kuò)散。由上述分析可知，液化天然氣泄漏擴(kuò)散過程涉及多種物理變化現(xiàn)象，主要包括多組分運(yùn)輸、氣液轉(zhuǎn)換、湍流流動(dòng)以及熱量轉(zhuǎn)化等。為深入分析液化天然氣泄漏擴(kuò)散過程，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法也只能停留在分子表面研究階段，本文采用分子動(dòng)力模擬計(jì)算方法進(jìn)行擴(kuò)散模擬。分子動(dòng)力模擬計(jì)算方法具有模擬分子靜態(tài)與動(dòng)態(tài)物理變化過程的能力，可得到微小尺度內(nèi)的分子擴(kuò)散行為，模擬效果較好，增加了研究的可行性[4]。利用分子動(dòng)力模擬計(jì)算中，涉及到許多數(shù)值模型，文本選取具有代表性的離散相模型為主，對(duì)液體天然氣泄漏擴(kuò)散過程中各種物理現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

離散型模型，又可稱作DPM模型，該模型主要采用歐拉—拉格朗日方法對(duì)天然氣兩相的流動(dòng)過程進(jìn)行計(jì)算，即主要計(jì)算具有連續(xù)性的輸運(yùn)方程，在拉格朗日參考系界定范圍內(nèi)，對(duì)天然氣離散相顆粒進(jìn)行跟蹤，模擬其運(yùn)動(dòng)軌跡以及熱量、質(zhì)量等物理量大小，并連續(xù)考慮相與離散相兩者之間的相互作用，并進(jìn)行耦合計(jì)算[5]，由此，從分子受力角度進(jìn)行分析，可得出離散相顆粒的平衡方程，如式（1）：

根據(jù)上述求解得出的液體顆粒蒸發(fā)質(zhì)量，采用質(zhì)量源項(xiàng)形式則可以獲取液化天然氣連續(xù)相的輸運(yùn)方程，完成液化天然氣泄漏擴(kuò)散模型建立[6]。

1.2.2 ?泄漏擴(kuò)散模型結(jié)構(gòu)性優(yōu)化

為有效保障分子動(dòng)力模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)泄漏擴(kuò)散模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，主要以能量?jī)?yōu)化目的為主。整個(gè)模擬過程中，需要選取Meterials Studio 4.0分子模擬軟件包輔助完成，模擬數(shù)值提取則由計(jì)算機(jī)程序完成[7，8]。分子力場(chǎng)控制是整個(gè)模擬過程中最為重要的步驟，是模擬過程準(zhǔn)確進(jìn)行的前提條件，該力場(chǎng)把有機(jī)與無機(jī)分子體系相結(jié)合，統(tǒng)一為一個(gè)整體，以便于適應(yīng)天然氣各擴(kuò)散階段的物理性質(zhì)轉(zhuǎn)換[9，10]。分子力場(chǎng)控制中，需要用到非鍵合勢(shì)，由靜電相互作用勢(shì)和范德華勢(shì)兩種勢(shì)能組合而成，其中，靜電相互作用勢(shì)可表示為：

1.2.3 ?周期性邊界條件設(shè)立

分子動(dòng)力模擬計(jì)算結(jié)果成立的重要前提條件，是對(duì)計(jì)算區(qū)域設(shè)定周期性邊界條件，綜合各方面因素，使邊界條件參數(shù)與實(shí)際情況接近一致，以降低計(jì)算模擬誤差[11]。液化天然氣泄漏擴(kuò)散模型的邊界條件主要以入口和出口兩個(gè)條件為主，邊界條件設(shè)置如表1所示。入口邊界條件：大氣風(fēng)速入口即為計(jì)算區(qū)域的入口，需要設(shè)置該邊界處的各項(xiàng)參數(shù)值[12]。通常情況下，認(rèn)為天然氣泄漏擴(kuò)散過程在大氣邊界層內(nèi)部范圍進(jìn)行，而大氣邊界層內(nèi)部的流動(dòng)特征主要體現(xiàn)在平均風(fēng)速剖面和湍流參數(shù)等方面。平均風(fēng)速剖面的計(jì)算公式如下湍流強(qiáng)度I與地面的粗糙指數(shù)以及泄漏口與地面之間的距離密切相關(guān)，以湍流強(qiáng)度為依據(jù)，可得出湍動(dòng)能P和湍動(dòng)能消耗率J的計(jì)算公式，如下：根據(jù)上述分析可知，湍動(dòng)能P和湍動(dòng)能消耗率J的輸入值可根據(jù)上述求解結(jié)果設(shè)定。

出口邊界條件：鑒于液化天然氣泄漏擴(kuò)散為自由流動(dòng)狀態(tài)，所以在出口邊界處需要設(shè)立的主要參數(shù)值為壓力，壓力的法向梯度需要設(shè)置為0。但天然氣在邊界處的泄漏濃度處于無法確定狀態(tài)，這就增加了計(jì)算難度，因此，在出口邊界處設(shè)置為自由流出口，出口參數(shù)的設(shè)置需根據(jù)計(jì)算流內(nèi)部的情況來決定。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 ?泄漏時(shí)間對(duì)擴(kuò)散的影響

若裝卸過程中液化天然氣發(fā)生泄漏，由于內(nèi)外壓力差的存在，天然氣流體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，但隨著擴(kuò)散時(shí)間的推移會(huì)達(dá)到一種穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。本文對(duì)非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的天然氣進(jìn)行模擬，分析泄漏時(shí)間對(duì)擴(kuò)散的影響。

分別設(shè)定泄漏擴(kuò)散時(shí)間為30 s和120 s，液化天然氣泄漏擴(kuò)散時(shí)的CH4濃度圖如圖2所示，圖中的顏色標(biāo)尺為甲烷與空氣混合體積比。

根據(jù)圖2可知，在泄漏初始階段，受風(fēng)流作用的影響，天然氣擴(kuò)散面積呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，擴(kuò)散高度呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間推移至120 s時(shí)，由于泄漏量的增加，天然氣的擴(kuò)散高度發(fā)生變化，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)泄漏量增加到一定數(shù)值時(shí)，近地側(cè)天然氣不容易發(fā)生擴(kuò)散，所以擴(kuò)散高度上升，但是隨著擴(kuò)散時(shí)間的持續(xù)推進(jìn)，大氣湍流對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響逐漸增強(qiáng)，從而使得天然氣擴(kuò)散高度發(fā)生回落，擴(kuò)散面積也隨之減小，但相較于30 s時(shí)刻，此時(shí)擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的天然氣濃度較高。

2.2 ?泄漏口位置對(duì)泄漏擴(kuò)散的影響

液體天然氣在裝卸過程中，泄漏口發(fā)生位置隨機(jī)，針對(duì)不同泄漏口位置條件下的天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬分析，選取體積為80 m3的天然氣儲(chǔ)罐作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)儲(chǔ)罐壁表面位置5 m和10 m處進(jìn)行分析。該實(shí)驗(yàn)在計(jì)算區(qū)域入口風(fēng)速固定，其他外界條件保持不變的情況下進(jìn)行。

根據(jù)圖3和圖4可知，在儲(chǔ)罐壁表面5 m處，天然氣的擴(kuò)散高度較大，體積較大，在儲(chǔ)罐壁表面10 m處，天然氣的擴(kuò)散高度值下降，擴(kuò)散體積相對(duì)較小。這是由于在泄漏口位置較高時(shí)，天然氣泄漏氣體受風(fēng)流的影響較為明顯，天然氣擴(kuò)散速度增強(qiáng)，擴(kuò)散空間較大。在泄漏口位置較低時(shí)，天然氣泄漏氣體受風(fēng)流的影響較小，不易擴(kuò)散，泄漏出去的大量天然氣氣體堆積在泄漏口位置附近，致使天然氣濃度較高。由此可見，天然氣泄漏口位置越低，造成的危害越大。

3 ?結(jié) 語

本文利用分子動(dòng)力模擬計(jì)算方法，分析裝卸過程中液化天然氣泄漏擴(kuò)散情況，研究泄漏時(shí)間和泄漏口位置對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響，得出以下結(jié)論：

在液化天然氣泄漏初始階段，擴(kuò)散高度較低，隨著泄漏時(shí)間的增加，受風(fēng)流影響增大，擴(kuò)散高度呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。

液化天然氣泄漏口位置越高，受風(fēng)流影響越大，天然氣泄漏濃度越高，反之，泄漏口位置越低，天然氣泄漏濃度越低。

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