油氣化工碼頭道路上LPG 罐車泄漏擴(kuò)撒數(shù)值模擬分析

張志斌，葉繼紅

（浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316000）

LPG 作為清潔能源，熱值高，且不產(chǎn)生污染物和煙塵，被廣泛應(yīng)用。LPG 通過(guò)油輪運(yùn)至油氣化工碼頭，由LPG 罐車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。LPG 罐車罐體內(nèi)壓較大，泄漏時(shí)LPG 立即氣化并快速擴(kuò)散。由于LPG 本身具有易燃、易爆以及有毒等特性，在運(yùn)輸過(guò)程中不慎泄漏，極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。如2020年6·13 溫嶺LPG 罐車爆炸事故，致使20 人死亡，175 人送醫(yī)，損失高達(dá)9500 萬(wàn)元。

針對(duì)LPG 罐車發(fā)生泄漏導(dǎo)致事故的機(jī)理、類型、嚴(yán)重程度等方面已有學(xué)者進(jìn)行研究?？姞N亮等[1]利用PHAST 軟件來(lái)模擬LPG 儲(chǔ)罐泄漏后的事故后果。根據(jù)事故后果劃分人員死亡、重傷、輕傷半徑。俞志東[2]運(yùn)用PHAST 軟件對(duì)LPG 儲(chǔ)罐泄漏進(jìn)行模擬研究，探討不同泄漏孔徑、季節(jié)等對(duì)泄漏范圍的影響，并對(duì)事故可能造成的后果進(jìn)行分析。

綜上所述，以油氣化工碼頭內(nèi)道路為背景，利用FLUENT 軟件研究LPG 罐車在公路運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生泄漏事故及可能導(dǎo)致的后果，對(duì)后期預(yù)防和控制LPG 罐車泄漏擴(kuò)撒及火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 LPG 罐車泄漏模擬

1.1 模擬軟件介紹

20 世紀(jì)80 年代美國(guó)FLUENT 公司開發(fā)出商用CFD分析軟件FLUENT，時(shí)至今日FLUENT 是普及最廣的CFD 軟件[3]。FLUENT 可以模擬二維、二維軸向和三維流動(dòng)，計(jì)算和分析不同特性的流體流動(dòng)，如層流和湍流、可壓縮和不可壓縮流[4]。

1.2 LPG 罐車泄漏擴(kuò)撒計(jì)算模型

以浙江某油氣化工碼頭道路為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)所需條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)200m 寬135m 高50m 的三維空間為計(jì)算域，其中高速路為雙向六車道，中間由1.5m 的綠化帶隔開，道路兩旁有高寬0.8m×0.2m的護(hù)欄。路右側(cè)50m 位置有長(zhǎng)寬高為12m×8m×15m的集裝箱堆，間隔7m。本文將LPG 罐車簡(jiǎn)化成距地面0.6m 的直徑2.5m 長(zhǎng)13m 的圓柱體儲(chǔ)罐（泄漏口于罐尾距地面1.65m 直徑為0.05m 的圓孔），將大貨車、小轎車同理進(jìn)行簡(jiǎn)化。

利用ICEM CFD 軟件對(duì)模型進(jìn)行非均勻（四面體）網(wǎng)格劃分，對(duì)泄漏口位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。如圖1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

1.3 LPG 罐車泄漏控制方程

本文研究LPG 在給定的條件下的擴(kuò)散過(guò)程。在整個(gè)泄漏擴(kuò)散過(guò)程中遵從連續(xù)性、能量、動(dòng)量三大守恒方程，基本控制方程可表示如下[5]：

1.4 初始條件設(shè)定

初始狀態(tài)下，區(qū)域內(nèi)無(wú)LPG。泄漏速度設(shè)定為20m/s、30m/s、50m/s；風(fēng)沿下風(fēng)向（-Z 方向），速度為0 m/s、3 m/s、5m/s、10 m/s；環(huán)境溫度為10℃、20℃、30℃、40℃。LPG 泄漏時(shí)屬于湍流狀態(tài)，選用Realizable模型。采用SIMPLE 計(jì)算方法進(jìn)行模擬計(jì)算，步長(zhǎng)設(shè)為1s，每秒迭代20 次，計(jì)算10 分鐘內(nèi)LPG 罐車發(fā)生泄漏擴(kuò)散的過(guò)程。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泄漏速度對(duì)LPG 罐車泄漏擴(kuò)撒影響

圖2 為不同泄漏速度（20m/s、30 m/s、50m/s）下ZX 平面（地面）LPG 濃度云圖。通過(guò)圖2 從圖中看到，LPG 從罐車罐體泄漏，隨著擴(kuò)散時(shí)間的向前推進(jìn)，LPG云團(tuán)沿地面往下風(fēng)向運(yùn)動(dòng)，云團(tuán)影響的區(qū)域在増大，濃度降低。

圖2 ZX 平面（地面）LPG 云團(tuán)濃度分布圖

圖3 為不同泄漏速度條件下，地面沿Z 軸上LPG云圖的濃度變化曲線?？梢钥闯?，泄漏速度為20m/s 時(shí)最大，約為4.6%，擴(kuò)撒距離約為118m；泄漏速度為50 m/s 時(shí)最小，約為3.1%，擴(kuò)撒距離大于130m?？梢姡诔跏紕?dòng)能和重力作用下，泄漏速度越大，云團(tuán)最大濃度越小，Z 軸方向上擴(kuò)散的距離越大。

圖3 不同泄漏速度下地面沿Z 軸上LPG 氣云濃度變化曲線

2.2 風(fēng)速對(duì)LPG 罐車泄漏擴(kuò)撒影響

研究風(fēng)速為0m/s、3 m/s、5 m/s、10 m/s 時(shí)，以泄漏速度為30m/s，溫度為30℃，風(fēng)向?yàn)橄嘛L(fēng)向（-Z 方向）進(jìn)行模擬仿真。圖4 為無(wú)風(fēng)和有風(fēng)狀態(tài)下ZX 平面（地面）LPG 云團(tuán)的濃度分布圖。

圖4 ZX 平面（地面）LPG 云團(tuán)濃度分布圖

通過(guò)圖4 可以看出，無(wú)風(fēng)時(shí)，LPG 由泄漏口泄漏出來(lái)后，向四周進(jìn)行擴(kuò)散，距離越遠(yuǎn)，云團(tuán)的濃度減小。有風(fēng)時(shí)，泄漏的LPG 云團(tuán)沿下風(fēng)向擴(kuò)撒。風(fēng)速增大，LPG 擴(kuò)散速度越快，云團(tuán)擴(kuò)散的距離隨風(fēng)速的增加而增大。當(dāng)風(fēng)速大于5m/s，云團(tuán)的擴(kuò)撒距離基本保持不變，這是由于在空氣湍流作用下，LPG 云團(tuán)逐漸被轉(zhuǎn)化成非重氣，因此擴(kuò)撒范圍與距離基本不會(huì)發(fā)生改變。

圖5 為不同風(fēng)速下，地面沿Z 軸方向上LPG 云團(tuán)的濃度變化曲線圖。由圖5 可知，無(wú)風(fēng)時(shí)，LPG 云團(tuán)的最大濃度約為4.1%，擴(kuò)撒最遠(yuǎn)距離約為126.3m；風(fēng)速為3m/s 時(shí)最大，云團(tuán)濃度約為0.9%，擴(kuò)撒最遠(yuǎn)距離大于130m；風(fēng)速為10 m/s 時(shí)最小，云團(tuán)濃度約為0.2%，擴(kuò)撒最遠(yuǎn)距離大于130m。

圖5 不同風(fēng)速下地面沿Z 軸方向上LPG 云團(tuán)的濃度變化曲線圖

3 結(jié)論

（1）不同泄漏速度對(duì)LPG 罐車泄漏擴(kuò)撒的影響。泄漏速度增大會(huì)導(dǎo)致LPG 云團(tuán)擴(kuò)散的范圍越廣，擴(kuò)撒最遠(yuǎn)距離大于130m。此外，泄漏速度越小，LPG 云團(tuán)的濃度值也越大。

（2）不同風(fēng)速對(duì)LPG 罐車泄漏擴(kuò)散的影響。風(fēng)速越大，氣體擴(kuò)散速度越快，云團(tuán)濃度越低，云團(tuán)擴(kuò)散的距離增大,云團(tuán)擴(kuò)撒最遠(yuǎn)距離大于130m。

（3）不同環(huán)境溫度對(duì)LPG 罐車泄漏擴(kuò)散的影響。隨著環(huán)境溫度的增大，空氣活躍度增大，云團(tuán)從周圍空氣獲得更多的熱量，體積增大，密度減小，云團(tuán)擴(kuò)散的速率加快導(dǎo)致泄漏擴(kuò)散范圍增大，云團(tuán)濃度降低，云團(tuán)擴(kuò)撒最遠(yuǎn)距離為127.2m。