泄漏扩散（精选八篇）
泄漏扩散 篇1
关键词：室内燃气,泄漏,扩散,数值模拟
随着燃气越来越广泛地被使用,使得燃气事故时有发生[1]。根据统计结果显示[2],燃气泄漏是目前室内主要的安全隐患。
国内外科学家和工程师对可燃气体的泄漏过程做了大量研究,已取得了许多成果。吴晋湘等基于双尺度湍流模型对室内可燃气体泄漏进行了研究并得出了其经验公式[3];吴国忠等提出检测管道泄漏的方法[4],及模拟管道泄漏的温度场[5]。
本文利用CFD数值计算方法,建立室内燃气的物理模型和传热数学模型,考虑泄漏口位置等因素,模拟和分析室内燃气扩散速度和浓度分布情况。
1 模型建立
1.1 物理模型
图1为居民楼的简化平面图,其几何尺寸为10×3×8.5 m。燃气管道位于厨房,管径为20 mm,模拟时以甲烷为介质。
1.2 数学模型
1.2.1 连续性方程
1.2.2 动量方程
1.2.3 能量方程
1.2.4 组分方程
1.3 边界条件及方案
模拟方案如表1所示。
本文假设厨房门关闭、开启两种情况,泄漏口在墙角处,泄漏口的压力为103 325 Pa,泄漏的初始速度为0.08 m/s,室内环境压力为101 325 Pa。
2 计算结果及讨论
方案1中,点火源1(0.3,6.7)在659 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图2。
如图2所示,厨房门开启,燃气从泄漏口向客厅扩散,点火源1的浓度变化较快,当扩散进行292 s后,浓度开始迅速升高。在298 s左右时点火源点火源达到爆炸极限。
方案2中,点火源2(4,4.3)在16 180 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图3。
如图4所示,厨房门开启时,泄漏口垂直方向上和厨房内速度较大,客厅中距离厨房门较近速度比较大。在14 316 s时点火源达到爆炸极限。
方案3中,点火源1处在507 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图4。
如图4所示,因为点火源1距离泄漏口较近,所以很快就能达到爆炸极限。厨房门关闭,燃气只能从厨房门的缝隙向客厅泄漏厨房内燃气的浓度积聚较快。当扩散进行287 s后,浓度开始有所变化。在295 s左右时点火源达到爆炸极限。
方案4中,点火源2处在95 449 s时室内浓度、速度、点火源处浓度情况,见图5。
由图5所示,厨房门关闭,燃气泄漏只能通过厨房门缝隙向客厅以及外面扩散,由于扩散角度的变化时燃气更容易进入客厅和卧室。点火源2在客厅,从厨房门缝隙泄漏的燃气又向着门窗缝隙处扩散,所以速度较小。
3 结论
本文对居室内燃气泄漏后扩散进行模拟,并对模拟结果进行分析。
(1)点火源1的浓度变化较快。
在295 s左右时点火源达到爆炸极限。
(2)厨房门开启时,点火源2在14 316
s时点火源达到爆炸极限;厨房门关闭时,点火源2达到爆炸极限的时间很长。
参考文献
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泄漏扩散 篇2
液氨储罐事故性泄漏扩散过程模拟分析
摘要：液氨是化工企业常用的原料,而每年因为液氨储罐的`泄漏造成的事故也十分频繁,液氨属于高度危险性物质,一旦泄漏极可能造成灾难性后果.本文探讨了描述液氨储罐事故性泄漏及扩散过程的数学模型,并用所建模型针对某市化学园区某化工公司液氨储罐工程建设项目进行模拟分析.从模拟结果来看,采用数学模型的方法对事故后果进行预测和分析具有一定程度的可靠性,对于救灾、重大危险源编制应急事故预案以及对新建项目进行危险性预评价都具有一定程度的指导意义.作 者：丁晓晔 蒋军成 黄琴 DING Xiao-Ye JIANG Jun-cheng HUANG Qing 作者单位：南京工业大学,南京,210009期 刊：中国安全生产科学技术 ISTICPKU Journal：JOURNAL OF SAFETY SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：,3(3)分类号：X928.02关键词：液氨 泄漏 扩散 模拟
泄漏扩散 篇3
关键词：液化石油气,泄漏扩散,数值模拟,泄漏孔形状,爆炸区域
0 引言
液化石油气逐渐成为人们生活中常用的气体燃料。液化石油气是一种易燃易爆的气体,当与室内的空气相混合,达到一定的浓度值时,遇到着火源,将会发生火灾爆炸等事故[1]。目前已有大量的研究人员针对燃气泄漏的扩散过程进行了较长时间的研究,如Michal等[2]提出了将仿真软件与模型相结合来分析气体扩散过程的研究方法; Young - Do Jo等[3]利用Fluent软件对燃气扩散进行模拟,并将模拟结果与FLADIS场试验结果进行对比; 张甫仁等[4]通过模拟室内的燃气泄漏扩散得出室内燃气泄漏的分布规律; 晏玉婷等[5]模拟了埋地天然气管道的泄漏,对比了压力、孔径、泄漏位置对危险区域的影响; 李朝阳等[6]模拟了埋地及架空燃气管道的泄漏,得出埋地管道的爆炸范围小于架空管道; 王树乾等[7]得出不同的压力条件下,天然气泄漏扩散过程的变化; 吴晋湘[8]针对障碍物的尺寸及泄漏源等条件对可燃气体的泄漏进行了数值模拟。本文利用CFD软件Fluent对室内有限空间内部燃气泄漏扩散过程及爆炸危险区域受泄漏孔形状的影响进行数值模拟,为室内可燃气体泄漏的安全预防及处理提供重要依据。
1 数学模型
1. 1 基本假设条件
假定本文所研究的泄漏为连续泄漏,可燃气体和空气形成混合物,混合气体呈湍流流动状态,各组分之间不发生化学反应。管内的压力恒定,气体与室内的环境之间不发生热量交换。
1. 2 控制方程
该研究中所涉及的方程有连续性方程、动量方程、本构方程和标准k - ε 组分运输方程[9]。
1) 连续性方程
2) 动量方程
3) 本构方程
4) 组分方程
5)标准k-ε方程
k方程:
ε方程
2 气体泄漏量
当时,则燃气的流动呈亚音速流动,泄漏量为:
式中: Pe为环境压力,Pa; P为燃气在管道内部的压力,Pa; Qm为燃气泄漏量,kg/s; Cd为气体的泄漏系数,长方形孔口取0. 9,三角形孔口取0. 95,圆孔口取1.0; κ 为绝热指数,取1. 29; A为泄漏孔口面积,m2; M为气体的摩尔质量,kg/mol; T为燃气的温度,K; Rg为气体常数为8 314 J/( mol·K) 。
3 物理模型
3. 1 物理模型的建立
建立如图1 所示的三维物理模型,房间长4 m,宽3m,高3. 2 m,窗户长1. 2 m,宽0. 8 m,位于房间左壁面,门长2 m,宽1 m,位于房间右壁面,内部障碍物长1. 6m,宽0. 6 m,高0. 9 m,障碍物距离房间左壁面1. 6 m,距离右壁面0. 8 m,障碍物上平面4 个点坐标为( 1. 6,0. 9,0) ,( 3. 2,0. 9,0) ,( 3. 2,0. 9,0. 6 ) ,( 1. 6,0. 9,0. 6 ) ,障碍物顶面中心为泄漏孔,为了保证泄漏面积一定,分别取当泄漏孔为圆形时半径为0. 05 m,正方形时边长为0. 088 5 m,正三角形时边长为0. 13 m。
3. 2 网格的划分
本文利用Gambit首先对泄漏孔、窗户、门和障碍物顶面4 条边进行线网格的划分,然后对整个体采取四面体网格单元,适当位置包含六面体、锥体和楔形单元( Tet /Hybird) 的划分形式,泄漏孔处对网格进行加密处理,共划分299 855个网格单元。
3. 3 边界条件的设置
将时间项设置为非稳态,选取标准k - ε 湍流模型。启动组分运输模型,选取丙烷空气混合模型,其中丙烷的组分为85% ,丁烷的组分为15% ,选取重力和全浮力影响选项。通过湍流强度公式和水力直径公式,计算出泄漏孔、窗口、门处的湍流强度和水力直径,泄漏孔为质量流量入口,窗户为速度入口,门为压力出口,墙壁及障碍物壁面设置为固壁,选用Simple算法,时间步长设置为0. 1 s。
4 模拟结果与分析
设风速为静风,环境温度为293 K,相对湿度为40% ,管道内部燃气的压力为103 325 Pa,泄漏方向为y轴的正方向,对液化石油气泄漏扩散进行数值模拟,由于液化石油气的密度大于空气,液化石油气的报警器常安装在距离地面高0. 3 m的位置,所以取平行于地面且距离地面0. 3 m的横截面,与经过泄漏孔中心与障碍物后壁面平行的横截面进行数值分析。
4. 1 孔口形状对扩散的影响
图2 由左至右依次为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口,泄漏5 s时,平面z = 0. 3 m的丙烷浓度分布云图和浓度等值线图,由浓度云图可以看出,泄漏出的丙烷气体逐渐向外扩散,并且丙烷的浓度分布范围从大到小依次是三角形孔口> 圆形孔口> 正方形孔口,由泄漏5 s时的丙烷浓度等值线图可以看出,浓度为0. 05 的等值线在泄漏孔分别为正方形,圆形,三角形时沿x轴方向上的距离依次为1. 08、1. 28、1. 48 m,浓度范围逐个增大。
图3 由左至右依次为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口,泄漏30 s时,平面y = 0. 3 m的丙烷浓度分布云图和浓度等值线图,由于液化石油气比空气重,所以泄漏后会向地面方向下沉扩散,由图可以看出,浓度为0.05 的等值线在泄漏孔分别为正方形,圆形,三角形时沿z轴方向上的距离依次为1. 5、1. 6、1. 7 m,浓度范围逐个增大,且丙烷在障碍物两侧形成堆积,不易稀释。
4. 2 孔口形状对爆炸危险区域的影响
图4 由上至下分别为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口,泄漏15 s时,室内的爆炸危险区域浓度云图,丙烷的爆炸下限为2. 1% ,爆炸上限为9. 5% ,所以取浓度0. 021 ~ 0. 095 的范围进行观察。由图可以看出,爆炸危险区域主要集中在障碍物附近,爆炸区域在泄漏孔分别为正方形、圆形、三角形时沿y轴方向上的距离依次为1. 9、2. 1、2. 2 m,爆炸危险区域范围逐个增大,且逐渐向地面方向延伸,在泄漏气体扩散过程中,障碍物阻碍了气体的运动路径,部分气体绕过障碍物向前运动,在障碍物的两侧堆积了大量的丙烷气体,丙烷浓度逐渐增大,障碍物的两侧危险性较高。
4. 3 泄漏孔发生旋转对扩散的影响
图5 所示为当泄漏孔为三角形时泄漏30 s的丙烷浓度分布云图,其中第一幅图泄漏孔未旋转,第二幅图泄漏孔绕障碍物顶面中心逆时针旋转30°,第三幅图旋转60°。由该图可以看出,当泄漏孔的形状不变且发生旋转时丙烷的浓度分布范围有所减小,这是因为泄漏孔的旋转相当于泄漏位置改变,当其他条件固定时,泄漏位置的改变会使燃气的扩散路径有所改变,从而使燃气的分布发生变化。
4. 4 不同位置的丙烷浓度
选取泄漏孔为圆形时,后壁面点1( 0. 8,0. 3,0) ,右壁面点2( 2. 4,0. 3,2. 5) ,左壁面点3( 0,0. 3,1. 5) ,前壁面点4( 2,0. 3,3) 四个点为研究对象,进行不同时间的丙烷浓度值比较,研究不同的安装位置丙烷浓度变化的规律。很据国家相关规范[10],在温度15 ~ 35℃ 时,报警器对液化石油气浓度的报警值一般在其体积分数为0.1% ~ 1% 的范围内。
图6 为安装点1 ~ 4 在0 ~ 30 s时间内的丙烷浓度变化曲线,由图可以看出点1 处的丙烷浓度增长幅度较大,由于点1、2 处距离泄漏口的水平位移相同,所以在前13 s,点1 和点2 处的丙烷浓度曲线近乎重合,点1 处的丙烷浓度略高于点2,由于点3 位于窗口附近,所以泄漏出的丙烷气体与空气充分混合,使该处的丙烷浓度值最小。点4 位于前壁面,距离泄漏孔较远,所以点4 处的丙烷浓度要小于点1、2 处。因此,报警器安放在点1处,可以更早的达到报警浓度。
5 结论
1) 管内压力一定,泄漏面积相同时,泄漏孔的形状对液化石油气的泄漏扩散过程有着一定的影响。泄漏时间相同,三角形孔口泄漏出的液化石油气分布范围更广,其次是圆形泄漏孔,分布范围最小的是正方形泄漏孔。
2) 爆炸危险区域也受泄漏孔形状的影响,当泄漏15 s时,爆炸区域在泄漏孔分别为三角形、圆形、正方形时沿y轴方向上的距离依次为2. 2、2. 1、1. 9 m,爆炸危险区域范围依次减小,且危险区域主要集中在障碍物附近,障碍物阻碍了气体的运动路径,部分气体绕过障碍物向前运动,在障碍物的两侧堆积了大量的丙烷气体,障碍物的两侧危险性较高。
3) 在所监测的四个点中,点1 处的丙烷浓度值增长迅速且增长幅度较大,能更快的达到报警浓度值,所以可以优先考虑与泄漏口距离较近处的后壁面安装点1处来安装报警器,以争取更多的抢救时间。
参考文献
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冷库制冷机房氨泄漏扩散浓度检测 篇4
袁洪福[5]对52家冷冻厂进行了调查,冷冻机房内氨的浓度2~10mg/m3,平均为18.5mg/m3,少数厂家氨浓度超标,甚至超过国家标准的2倍多,严重影响操作工人的健康。蒋永清[6]针对制冷站氨压缩机发生泄漏时,设备摆放位置不同的情况下,研究近地面氨气浓度始终在立即威胁生命和健康浓度以下的最小事故排风量。甄[7]利用Fluent模拟高贮器连接管道的氨气与氨液泄漏后浓度场的分布,分析氨扩散规律,为氨泄漏事故预防及应急处置提供参考。
迄今为止,极少有研究者对冷库机房内各制冷设备处的氨浓度进行实际检测,本文以哈尔滨冷冻厂冷库为调研对象,采用氨气浓度检测仪对制冷压缩机机房及制冷设备间进行漏点检测。
1 氨的泄漏位置统计
哈尔滨冷冻厂拥有目前黑龙江省最大的冷库,为氨制冷系统。采用深圳市吉顺安科技有限公司的JSA8-NH3氨气浓度检测仪,检测仪量程0~1000ppm,分辨率0.1ppm。
从以上各泄漏点检测结果可以看出,冷库常态下非事故泄漏的主要类型(见图1)有:阀门泄漏、法兰泄漏及焊缝泄漏。易发生泄漏的设备主要集中在压缩机、高贮器等。发生泄漏设备统计如图2所示。
考察常见泄漏类型及发生泄漏设备可以得出以下结论:
第一,阀门处泄漏。经常需要调节的阀门,日久轴心出现松动,气密性变差,轴心会出现漏氨。
第二,法兰处泄漏。法兰中的橡胶垫圈会与设备中的油反应,出现老化而造成泄漏。
第三,焊缝老化泄漏。焊缝由于设备长时间运行会出现老化,引起氨气泄漏。
2 泄漏浓度
制冷系统各泄漏设备最大泄漏浓度如表1所示。考虑测量方便及对比性,以各冷库压缩机泄漏点为研究对象考察低浓度泄漏氨气扩散规律。
各冷库压缩机布置方式如图3所示,测量图示红线距离范围内压缩机漏氨浓度。
各冷库机房泄漏浓度分布如图4、图5所示。横轴为泄漏点与压缩机的距离。每隔10cm记录一次在1.5m高度的氨气浓度。从表中记录的数据可以发现氨气浓度随着与压缩机的距离增大,先下降后上升,氨气在墙壁附近往往具有较高浓度。
若在开放的空间,氨气泄漏后不断被空气稀释,距泄漏点的距离增加,浓度应呈不断降低的趋势,然而在封闭的机房进行的检测数据表明,在常态下冷库机房非事故泄漏的氨气扩散规律与开放空间的自由扩散有所不同,氨气浓度的分布必然还受到其他因素的影响。
由于冷库机房中存在多处氨泄漏点,氨气浓度分布是受各泄漏点综合影响的结果,然而本文所记录的压缩机泄漏点与墙壁间的氨气浓度,在水平方向上并无其他漏点影响测量,靠近墙壁氨气浓度所呈现的上升趋势,势必为其他原因造成的氨气组分的输运,由于靠近墙壁,氨气输运方向必为竖直方向。
通过观察各冷库机房布局,发现冷库机房在南侧均有窗户作为采光需要。由于热辐射及机房各壁面的温度差可造成机房内空气温度的不均匀性,空气密度随温度变化,密度变化引起的重力差异将会使空气发生流动,形成壁面热流,进而影响了壁面附近的氨气浓度分布。壁面附近氨气浓度的升高是泄漏源处氨气扩散和空气流动将其他位置高浓度氨气输运过来的共同作用结果。因此,空气流场对常态下氨气泄漏浓度分布具有较大影响。
3 结论
本文对冷库制冷机房进行了实际检测,统计了制冷机房中易发生氨泄漏的位置及设备,总结了易发生氨泄漏的原因,考察了低浓度泄漏氨气扩散规律。
根据对冷库制冷机房的检测,常见泄漏类型为阀门泄漏、法兰处泄漏、焊缝泄漏等。发生泄漏的设备主要集中在压缩机、高贮器等设备,常规状态下机房空间内空气流场对微量泄漏氨的浓度场有较大影响。
参考文献
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环境风险评价中氯气泄漏扩散的计算 篇5
本工作根据HJ/T169—2004《建设项目环境风险评价技术导则》(简称《导则》)推荐的Cox和Carpenter稠密气体扩散模型,将某化工厂液氯钢瓶氯气泄漏在初期阶段作为重气泄漏扩散进行计算,与非重气扩散高斯模型计算结果进行比较,从而准确预测氯气泄漏扩散对环境的影响。
1 事故源项分析
该厂四周平坦开阔,当地平均风速3 m/s,气温20 ℃,稳定度为D类,主导风向为东北风向。液氯钢瓶为840 L的1 t钢瓶,壁厚12 mm,压力2.0 MPa,要求充装系数小于1.25 kg/L。在车间生产过程中液氯瓶、液氯汽化器、缓冲瓶、分配台和漂粉机的瓶阀、瓶体接缝、易熔塞处的泄漏,瓶体腐蚀造成的泄漏,管道连接处的泄漏是可能的氯气泄漏原因[3,4,5]。根据同类生产事故调查,氯气泄漏的最大可信事故设为氯气钢瓶的带压泄漏。设泄漏孔径为1 cm,泄漏时间为3 min,温度为20 ℃,根据《导则》的泄漏公式计算氯气泄漏源,计算结果见表1。
2 将氯气泄漏作为重气泄漏扩散的计算
2.1 Cox和Carpenter稠密气体扩散模型
氯气的密度是空气的2.48倍,属于重气体。重气云团的扩散有明显的特点,即在扩散过程中横向蔓延较快,而在垂直方向蔓延非常缓慢。重气云团 扩散时有可能向上风向蔓延,而非重气云团一般不 会。如果扩散过程中遇到障碍物,重气云团可能从旁边绕过,而非重气云团扩散时不仅可从旁绕过而且能从上方越过障碍物。由此可见,重气扩散着地浓度较高。《导则》中采用的Cox和Carpenter稠密气体扩散模型属于箱模型,它是建立在实验基础上的半经验扩散模型,具有简单实用的特点。模型假定初始云团为圆柱体,高与半径的比通常为1。重气云团箱模型扩散示意见图1。
由图1可见,在重力作用下,圆柱体高度减小,半径增加。根据云团与空气的密度差等于空气加速度的惯性力,推导出云团半径的变化速率。云团随空气运动时,空气从云团顶部和边缘进入,使云团浓度和密度逐渐下降,空气从边缘进入的速率正比于边缘面积和半径变化速率。根据假设可将云团在每一个瞬间视为一个封闭系统,达到热力学平衡,云团的热焓为初始热焓和外部空气输入的热焓之和,由此可推出热力学平衡方程。将氯气泄漏作为重气泄漏扩散的计算公式见表2。
2.2 计算过程
首先,根据事故源项分析计算的泄漏量[6]判断有无液体泄漏进入扩散云团;然后,计算重气泄漏扩散的初始状态参数R0,V0,T0等。重气云团箱模型中云团半径、卷入空气质量、温度都随扩散时间的变化而变化。采用Runge-Kutta法[7]计算每一个步长时刻的云团半径和卷入空气质量,将计算结果代入热力学平衡方程求积分,可得出该时刻的云团温度。对于Q=∫t0ka(Te-T)4/3πR2dt,为离散型积分,可采用复化梯形求积分的公式计算;对于ma∫undefinedCpadT,为连续型积分,可用复化simpson求积公式计算。用数值迭代的方法反复迭代计算,可得出合适的云团温度。用云团温度计算云团体积、质量浓度,以及对应下风向的距离。计算中应注意判断重气泄漏扩散过程是否已结束。判断重气泄漏扩散过程结束的标准有:ε准则、Ri准则、Vf准则、undefined准则等[8]。如Cox和Carpenter认为重气泄漏扩散阶段终止的条件为undefined,其中σy为横风向扩散系数。为计算方便也可将云团密度接近空气密度(差值1%)作为重气泄漏扩散的终点。
2.3 计算结果与讨论
重气云团温度随扩散时间的变化见图2。
由图2可见,云团温度有一个急剧下降的过程,这是氯气从钢瓶泄漏出来发生闪蒸吸热所致,随着空气的卷入,云团温度迅速回升,30 s左右即回升至空气温度,96 s左右重气泄漏扩散结束。重气云团半径、卷入空气质量随扩散时间的变化见图3和图4。由图3和图4可见,云团半径在扩散前段比后段变化快,随着扩散的进行,卷入空气质量迅速增加,使重气密度接近空气密度,重气泄漏扩散过程结束。重气云团质量浓度随扩散时间的变化见图5。
由图5可见,随扩散时间延长,云团质量浓度迅速下降,但重气扩散结束时,经计算云团质量浓度仍保持在1.8×104 mg/m3左右。重气云团的扩散范围和非重气扩散高斯模式计算图见图6和图7。由图6和图7可见:用重气云团箱模型计算的氯气扩散浓度高于用非重气扩散高斯模型计算的氯气扩散浓度;重气云团箱模型计算的氯气浓度影响范围比非重气扩散高斯模型计算的范围大。
比较计算结果也可发现,重气云团箱模型计算时没有计算至氯气的环境允许质量浓度(0.1 mg/m3)。因为,当扩散到如此低的浓度时,空气被稀释,不再适用重气云团箱模型,而应该用《导则》中推荐的多烟团模型来计算。本计算结果说明,氯气影响范围的严重超标区在300 m内,此范围内氯气浓度超过致死浓度,对环境造成极大影响。在此范围内,重气云团箱模型计算详细、考虑的因素多、从而相对可靠。考虑到氯气泄漏事故发生的瞬时性,也可将泄漏分为瞬时源和连续源考虑,分别计算[9]。重气云团箱模型在实际运用中仍有许多不确定性,如:有风和无风的情况下扩散结果不同;扩散时有可能向上风向蔓延;如果扩散遇有障碍物,可能从旁边绕过,导致形态及扩散机理改变;扩散过程中的热量交换与地面和空气的温度有关;在倾斜表面的扩散应考虑重气的逆风扩散等[10]。
3 结论
a)重气与非重气扩散过程有很大的不同,通过计算可看出用重气云团箱模型与用高斯模型有较大的差异,因此,在环评中不可忽视将氯气泄漏作为重气泄漏扩散的计算环节。
b)在对涉及氯气的项目进行环境风险评价时应注意,根据《导则》,将氯气泄漏在初期阶段作为重气泄漏扩散,采用重气云团箱模型计算。但不论采用何种模型计算,都有许多因素不能被完全准确地模拟。因此,理论计算仍有不确定性,环评中应注意收集类比资料、项目竣工验收调查资料和最新的科研成果。
c)计算过程中发现,《导则》中仍有不完善之处,如:公式不完整、适用条件不清楚等。另外,还应加强重气泄漏扩散对环境影响的实证研究,使环境风险评价的技术和方法更加可靠、方便使用。
符 号 说 明
A 裂口面积,m2
Cd 气体泄漏系数, 1.0
Cpa 单位质量空气的等压热容,J/(K·kg)
Cpg 单位质量氯气的等压热容,J/(K·kg)
g 重力加速度,9.8 m/s2
h 云团高度,m
K 实验常数,一般取1
Ka 传热系数,W/(m2·K)
k 气体的绝热指数, 1.355
Ma 空气相对分子质量,28.9
Mg 氯气相对分子质量,71
ma 卷入空气的质量,kg
mg 泄漏氯气的质量,kg
me 空气从边缘进入气团的质量,kg
ml0 初始云团中氯液滴的质量,kg
mt 空气从顶部进入气团的质量,kg
n 泄漏氯气的量,mol
P 容器压力,Pa
P0 泄漏压力,Pa
Q 地面传入云团总热量,J
qg 氯气泄漏质量流量,kg/s
R 云团半径,m
R0 初始云团半径,m
R常 气体常数,8.31 J/(mol·K)
T 云团温度,K
Ta 空气温度,K
Tb 液氯的沸点,238.6 K
Te 地面温度,K
Tg 氯气温度,K
T0 云团初始温度,K
t 扩散时间,s
V 云团体积,m3
Vl 未蒸发的液氯体积,m3
V0 初始状态云团的体积,m3
ve 边缘半径变化速率,m/s
υt 云团高度变化速率,m/s
Y 流出系数,1.0
ρ 重气云团质量浓度,mg/m3
ρa 空气密度,kg/m3
ρg 云团密度,kg/m3
ρl 液氯在沸点下的密度,1 681 kg/m3
γ 边缘空气卷入系数,0.6
σy 横风向扩散系数
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厂房内H2连续泄漏扩散的模拟分析 篇6
1 模型的构造
1.1 物质传输与扩散经验模型
本文采用Realizable k-ε模型对H2的泄漏传输进行模拟求解。其在标准k-ε模型基础上添加了新的解析式,并为求解紊动耗散率ε提供了新的传输公式。提高了平面射流、圆孔射流以及高压梯度、分离梯度下边界问题的求解精度[3]。其中关于k、ε的传输方程为[4,5,6,7,8,9,10]:
紊动能k方程:
undefined
紊动能耗散率ε方程:
undefined
其中,C1ε,C2,σk和σε是传输耗散常数;Gk表征由于均速度梯度而产生的湍流动能源项;Gb表征由于浮力产生的湍流动能源项;YM表征在可压缩团刘忠波动扩张引起的耗散项,SK和Sε为用户自定义条件;ρ由可压缩气体状态方程控制。
Fluent通过对物种传输扩散守恒方程的求解,能预测物种的质量含量Yi,其传输扩散方程为:
undefined
其中,Ri为存在化学反应使化学反应产生物种i的速率,无化学反应时可以忽略;Si为用户定义而产生物种的速率;Ji为i物种的质量扩散速率。
在湍流流动中fluent通过以下形式求解质量扩散,其表达式为:
undefined
其中,μt为湍流粘度;Sc1为湍流施密特数。基于以上理论利用Fluent的求解器对H2的传输和扩散进行模拟计算。
1.2 构建实验模型
所建模型如图1所示,计算域为8m×4m×2.5m(x×y×z)的长方体厂房,右边墙壁上开一窗口,窗口尺寸为0.9m×1m(y×z)。室内装有H2气体的圆柱形钢瓶,位于坐标0.5m×2m(x×y)处,钢瓶高度为1.2m,泄漏口位于(1.2,2,1)处,泄漏方向为x轴正方向。
1.3 计算条件
在模拟过程做如下假设:
(1)泄漏气体为纯净H2,且泄漏速率恒定,因设有窗户而不考虑压力的变化;
(2)气体在扩散中不发生化学反应和相变反应,也不发生液滴沉降;
(3)不考虑泄漏气体与空气的温度差异,即气体和环境之间无热量交换。
边界条件:将计算域进行非均匀的结构化(六面体)网格划分,泄漏口为质量入口。钢瓶通过减压阀阀口泄漏,因此泄漏速率为0.067kg/s(H2减压阀最大泄漏流量)。泄漏形式为非稳态连续泄漏。墙壁窗口为压力出口。其他壁面采用标准壁面函数处理[11]。
初始条件:t=0,质量入口,H2的含量为100%;压力出口,空气的含量为100%;壁面、流场及气体的温度均为300K。
2 模拟过程与结果分析
2.1 室内监测点处H2的浓度随时间的变化
图2是监测点point 1(2,2,1.2)、点point 2(4,2,1.2)和点point 3(6,2,1.2)处H2的浓度随时间变化的曲线。由各曲线可见,随着时间的推移,三点处的浓度曲线逐渐上升并于175s左右达到平稳。且距离泄漏口越远,H2的浓度越小。由此得出,泄漏扩散监测点浓度随着距泄漏口下风向的距离增大而减小。并且泄漏一段时间后,扩散将达到稳定,室内各区域H2浓度将不随着时间推移而变化。
2.2 室内各平面上浓度场的分布
(1)报警器的布置
图3、图4分别为泄漏60s和300s时在y=2m平面上H2浓度分布图。由图3、4可以看出H2泄漏射出后在室内纵切面的大致走向。由图3可知,在泄漏初期,由于泄漏口孔径较小,泄漏气体的初始动量较大,因此气体基本上沿泄漏口x方向喷射扩散,在喷射压力的作用下,扩散气流柱向地面倾斜。喷射流扩散到达墙壁附近后堆积滞留,因此此处浓度较高,可以设置报警器。随后H2沿着墙壁缓慢浮升,部分气体在窗口处外泄,剩下部分继续浮升到达房顶,并沿着房顶向反方向(-x方向)蔓延扩散,直至整个房间中充满H2。图3中显示300s时H2扩散并浮升至整个房间,且扩散达到稳定状态。
图5为泄漏300s时在x=7m平面上的H2浓度分布图。图中显示H2泄漏扩散稳定后窗口附近H2浓度分层明显。并且结合图3、4可以看出扩散过程中,窗口上部至房顶的靠墙壁处形成了较小的空气气流涡旋,此涡旋应由窗口处气流交换时流入的空气引起,涡旋中H2含量较低。由此推断此处不宜设置泄漏报警装置。图6为泄漏300s时z=1.2m平面上的H2浓度分布图。图中可见在同一水平面上H2扩散并不均匀,大致偏向y轴正方向,且浓度分层明显,气流到达墙壁后沿墙体流动并同时扩散到空间内。因此,泄漏报警装置可以设置在泄漏口正对面墙壁上的窗口下方或两侧。
(2)排风口布置
由图3-图6可以看出,厂房模型的开窗部位只能排除少量泄漏气体,多数H2沿着墙壁浮升,到达屋顶,并沿着屋顶向室内回流。因此,厂房的排风口应开设在H2钢瓶喷口方向上的屋顶处。本文中泄漏模拟的厂房应改设排风口在钢瓶喷口方向上屋顶x=4-6m处。
2.3 室内各直线上的浓度曲线比较
(1)曲线图分析
图7是室内平行于x坐标轴的各直线上浓度曲线的比较。由图可知,Line1(y=0,z=1.2)是泄漏钢瓶右侧墙壁与钢瓶等高的一条直线,该直线上随着下风向距离的增大浓度几乎不变,可见墙壁处浓度基本均匀;Line2(y=2,z=2.5)是钢瓶正上方沿着屋顶的一条直线,该直线呈现先随着下风向距离增加浓度基本不变,后于x=6.5m处骤减,再于7.5m处骤增的趋势,骤减部分是由于窗口处空气流稀释引起;Line3(y=2,z=1.1)是一条沿着钢瓶喷射口水平射出的直线,该直线上浓度在x=1.2m(钢瓶口处)处达到最大,之后随着下风向距离增加逐渐减小;三条曲线最高浓度不超过68%,最低浓度不低于54%。图8是室内平行于y坐标轴的各直线上浓度曲线的比较。由图可以看出,Line4(x=6,z=1.2)Line5(x=4,z=1.2)Line6(x=6,z=2.5)三条处于室内不同位置的直线呈现出相同的曲线形式,都是先减后增趋势。浓度最低点位于y=0.6m处,是由于窗口处进入的空气涡旋稀释H2浓度引起,且最高浓度不超过68%,最低浓度不低于50%。
(2)疏散区域的确定
危险化学品事故危害对人身的伤害程度可以分三个级别:即致命伤害、严重伤害和轻度伤害。每种危害的极限值是不一样的[12]。美国能源部定义的紧急时刻暴露极限(Temporary Emergency Exposure Limits,简称TEELs)被用于划分不同浓度的毒性气体对于周围人类的伤害程度或者是人类感知程度。H2有三个级别的TEELs。TEEL-1(65000ppm)表示在此浓度下的气体会被暴露于其中的人体感知,并可能造成轻微短暂的健康影响;TEEL-2(230000ppm)表示此浓度的气体使得暴露的人体产生中毒窒息等后果,对人体健康造成非不可逆转的伤害,此时可以采取自我保护或逃生等行为。TEEL-3(400000ppm)表示在此浓度下的气体会对人体造成严重的、持久的威胁生命的影响。
由图4、图6结合图2、图7和图8可知,可以看出,H2已泄漏扩散到室内各处,易造成窒息等事故,产生不良后果。在人员的应急疏散中应根据模拟出的影响区域的危害程度可以把影响区域依次划分为紧急避难区、协助疏散区和自主疏散区。具体划分情况:H2浓度高于400000ppm的区域为紧急疏散区,应紧急疏散存留人群,疏散人员和事故处理的人员应配带有相应的安全防护用具;浓度在400000ppm和230000ppm之间的区域应设为协助疏散区,禁止人员在该区域随意流动,尽量避免人员逗留;浓度在230000ppm和65000ppm之间的的区域为引导和自主疏散区,人员可自行疏散。由图4-8可以看出,当泄漏扩散稳定后,除了窗口周围,室内空间各点、直线、平面等浓度基本处于400000ppm(TEEL-3)以上,整个室内均属于紧急疏散区。
H2的爆炸范围为4%-74.2%,由图2-8可以看出,H2泄漏扩散初期乃至稳定后室内区域基本处于爆炸极限内,因此必须在泄漏初期进行紧急人员撤退并做好防火防爆通风工作。
3 结论
通过对厂房内H2连续泄漏扩散过程的浓度场进行数值模拟,可以得出如下结论:
(1)根据各监测点处H2的浓度随时间变化的曲线图,泄漏扩散监测点浓度随着泄漏口下风向的距离增大而减小。并且随着时间的推移,泄漏扩散将达到稳定,稳定后室内各区域H2浓度将不随着时间推移而变化。
(2)根据室内H2浓度分布规律,得出H2泄漏报警装置应设在泄漏口正对墙壁上,且厂房的排风口应开设在H2钢瓶喷射方向上的屋顶处。
(3)结合H2的毒性级别和爆炸极限,划分该厂房为紧急防爆疏散区,必须在泄漏初期进行紧急人员疏散并做好防火防爆措施。
摘要：利用计算流体动力学软件Fluent对厂房内易燃易爆气体H2泄漏扩散过程进行了数值模拟,研究H2连续泄漏扩散规律。计算结果表明,厂房内H2泄漏一定时间后扩散将达到稳定,室内H2浓度将不再变化;根据室内H2浓度分布规律,得出H2泄漏报警装置应设在泄漏口正对墙壁上,且厂房的排风口应开设在H2钢瓶喷射方向上的屋顶处;结合H2的毒性级别和爆炸极限,划分该厂房为紧急防爆疏散区,必须在泄漏初期进行紧急人员疏散并做好防火防爆措施。研究结果为厂房内H2泄漏事故应急救援、泄漏报警装置及排风口的位置设置提供重要技术支持和理论依据。
关键词：H2泄漏,浓度场,报警器位置,排风口位置,浮升效应
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泄漏扩散 篇7
石油、化工行业在生产、存储和运输过程中存在多种有害的化学物质, 一般为了便于使用, 气态化工产品都需经过加压降温液化后再进行储存、运输, 容器内物质温度很低, 泄漏后如果直接接触人体, 就会造成冻伤事故。易燃、易爆、有毒也是化学品常有的特性, 一旦在一定气象条件下发生扩散后, 也会对人员和环境造成严重的损害[1,2,3]。因此, 深入研究重气扩散规律, 分析危险物质泄漏可能造成的影响程度和范围, 对突发性事故的应急预案编制和现场救护, 以及科学预防事故性泄漏的发生具有重要意义[4,5]。
本文综述了多年来国内外学者对重气扩散各研究方法的进展情况, 并在此基础上分析了现场试验研究、实验室研究和模拟研究各自的优势, 提出了未来重气扩散研究的重点问题。
1 重气扩散机理及影响因素分析
重气是指泄漏后与空气混合以气态或者气溶胶形式存在并且比重空气重的气态物质, 如氯气、丙烷、H2S等。与非重气不同的是, 重力对于重气云团的扩散过程起主导作用, 会产生重气效应, 沿地表聚集并扩散。重气云团常用Richardson数来判定。Ri准则认为, 如果R小于或等于某个临界值 (在1~10之间) , 重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散, 扩散云团为重气云团[6]。
重气云团在扩散过程中要经历重力沉降、空气卷吸、云团加热和向非重气扩散转化4个阶段的变化。重气扩散过程受到多种因素的影响, 大致可以分为操作因素和气象因素两大类。操作因素包含容器内泄漏物质的状态、压力、温度和比重。多数物质处在低温加压的液化状态, 容器上方有部分操作条件下的饱和蒸气。压力直接影响到物质的泄漏速度;温度影响到物质泄放后的闪蒸气化速率;比重表示重气与空气分子量的比值, 重气云团的比重越大, 扩散前期受重力作用的影响就越明显, 重气云团转化为非重气云团的时间也就越长。气象因素有风速、风向、大气温度等。风速影响重气云团的扩散速度;风向决定扩散的主要方向;大气温度影响云团的温度和密度。除此之外, 地表的坡度、粗糙度及障碍物的尺寸也是影响重气云团扩散的关键因素, 会影响泄漏物质的浓度空间分布情况。有实验表明, 当障碍物高度不太大时, 重气云团会从顶部绕过, 障碍物后方的一定区域浓度分布较低。
2 重气扩散模型研究
2.1 箱模型
箱模型用来描述瞬间泄漏形成的重气云团的运动, 其核心是因空气进入而引起的气云质量增加速率方程。箱模型有三个假定条件:
1) 重气云团为正立的坍塌圆柱体, 圆柱体初始高度等于初始半径的一半。
2) 在重气云团内部, 温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。
3) 重气云团中心的移动速度等于风速。
重气扩散的箱模型示意图如图1所示。
依据假定条件、质量守恒定理和云团体积随时间的变化速率关系, 采用量纲分析法推导出云团浓度计算公式为:
式中:C———重气云团内部危险物质浓度, kg/m3;
CO———初始时刻重气云团内部危险物质浓度, kg/m3;
x———沿下风向泄漏点到云团的距离, m。
随着空气的不断进入, 重气云团的密度将不断减小, 重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境湍流引起的扩散。
2.2 CFD模型
随着计算机科学的发展和研究者对于计算精度的高要求以及研究过程复杂性的增加, 为了克服常规模型对重气扩散模拟的局限性, 有学者开发出了CFD模型 (计算流体力学模型) , 该模型以流体力学为理论基础, 先用前处理器建模并划分网格, 为了达到计算收敛需要结合一定边界条件和初始条件利用求解器进行求解。CFD模型的基本控制方程是质量守恒、动量守恒和能量守恒三个守恒方程, 守恒方程可用以下通式表示。
最先使用CFD方法模拟重质气体三维空间内流动扩散规律的是England[7], 他采用CFD方法模拟了气体的非定常湍流过程。Steven R.Hanna[8]应用FLACS软件建立3D模型, 模拟计算了芝加哥工业区和郊区列车储罐内氯气泄漏扩散的事故场景, 得出氯气在平坦地形扩散速度较快, 加重事故的严重程度。液氯泄漏后随着排水系统扩散, 受到障碍物的阻挡作用, 扩散速度变慢, 重气云会聚集, 部分区域内氯气浓度增加。国内大连理工大学的丁信伟、王淑兰[9]等通过分析危险化学品泄漏的研究进展, 综述了国内外有关危险性气体扩散研究中的数值模型与试验开展情况。详细对比分析了各个气体计算模型的优缺点和适用范围, 并分析研究了国外研究机构早期设计实施的一系列大规模试验, 并预测了气体扩散研究的重点和将来的发展趋势。
CFD模型适用性强, 能适合任何地形条件和外界因素影响下重气扩散过程的模拟, 并保持很高的计算精度, 这方面是其他模型无法比拟的。CFD模型也存在一定的局限性, 对于大范围的模拟计算, 尤其是3D模拟, 因涉及大量的数值计算, 需要很高的计算机软硬件配置, 如果前期建模网格处理不好, 从开始计算到结果收敛要花费大量的时间。
2.3 浅层模型
浅层模型是依据浅层理论的近似原理提出的, 模型假定横向尺寸远大于垂直尺寸, 应用流体静力学描述重气团内部压强, 只有在气云前边缘处才会出现特殊情况。气云和外界大气的质量交换用卷吸速度表示, 复杂地形下的扩散过程需要在动量方程上增加一些附加项。
SLAB模型和HEGADAS模型是一维浅层模型, 一维模型假设云团浓度和其他性质的侧风轮廓是一个特定形状, 空间平均、侧风值的下风向变化通过顺风向的守恒方程确定。一维浅层模型最大的缺点就是模拟复杂地形或者绕过障碍物时计算精度较差。二维浅层模型在模拟重气绕过障碍物方面进行了改进, 能较好模拟持续泄漏和瞬时泄漏两种情形。
浅层模型的模拟可靠性介于箱模型与CFD模型之间, 对于计算精度要求不严苛, 一般复杂地形下的重气扩散过程模拟浅层模型有较强的适应性。
2.4 经验模型
经验模型是指通过一系列图表或者简单关系式来描述扩散过程的模型。该模型使用简单, 多用于平坦地形的扩散过程。Britter和Mc Quaid[10]通过收集大量的重气扩散的实验室和现场实验研究的结果, 以无因次的形式将数据连线绘制成曲线图并给出了与数据匹配的关系曲线的近似方程, 并编制了重气扩散手册, 其中荐了一套简单且实用的曲线图, 有学者将之称为B&M模型。
Hanna[11]等通过验证各重气模型, 指出HEGADAS等4个重气扩散模型能够预测实地测试的最大中心线浓度和烟羽宽度在两倍以内, 但是都无法重现来自现场数据的平均时间浓度的变化。Mercer对比了几个积分模型, 得出在瞬时释放时, 各模型预测结果之间的最大差异产生在低风速、大气稳定度为F、地表粗糙度较大的条件下。
重气扩散模型比较表
3 结论
泄漏扩散 篇8
随着海上油气资源的不断开发, 海底管道作为一种相对稳定的输送方式, 在未来的海洋油气资源开发中将会得到更多的应用。然而随着管龄的增长, 不可避免的运行磨损、腐蚀、外力破坏等原因的影响, 将会使管道泄漏事故频繁发生, 不仅对环境造成严重的污染, 而且带来巨大的经济损失。例如, 2006年胜利油田分公司海底管道泄漏事故造成了东营地区的严重污染, 破坏了当地的生态环境给当地及胜利油田带来很大的经济损失;2010年, 中海油蓬莱地区海底输油管线泄漏事故也给当地的环境和经济带来了很大的影响。因此, 合理地进行管线泄漏检测具有重要的实际意义。目前国内外对管道泄漏检测技术的研究已不少, 并取得了阶段性的成果, 应用较广泛的主要有:噪声监测、放射性示踪剂检测、负压波检测、压力梯度检测、超声波检测、热红外检测、分布式光纤温度传感技术等[1]。其中分布式光纤温度传感技术以其精度高和自适性强等优点而极具发展前景, 因而研究海底埋地管道泄漏过程中的海泥温度场变化以及原油在海水中的分布规律可以为以温度传输为基础的泄漏检测技术提供一定的理论基础。
1 模型的建立
1.1 物理模型
海底埋地输油管道的泄漏可以分为三个阶段:原油泄漏后, 在海泥中的渗流过程;当原油从海泥中渗出, 进入到海水中时, 在海水浮力和底层海水流动的影响下, 逐渐涌向海面;原油在海面上的扩散过程。第一阶段泄漏过程原油在海泥中的扩散其模型如图1, 以胜利埕岛油田海底管道为例, 埋深1.5m, 管道直径600mm, 底层海水温度0℃, 管内原油温度60℃, 凝点温度36℃, 相变温度变化0.5℃, 泄漏孔直径60mm, 泄漏口流速为0.6m/s, 计算区域取5m×5m, 采用三角形网格对管道周围海泥进行单元划分。由于泄漏口处温度梯度相对较大, 因而对此处网格进行加密以捕捉温度的变化, 热油管道的初始温度场对于泄漏后周围海泥温度场有重要影响。
1.2 数学模型
土壤作为一种多孔介质其内部流动及相变过程相对复杂, 而海泥相对土壤可以看作饱和含水土壤介质。由于海底管道敷设的条件特殊, 当管道发生泄漏后, 会有大量高温热油渗漏到海泥中, 改变管道周围的海泥温度场, 采用有限容积法处理饱和含水淤泥多孔介质流固耦合传热模型。相变过程符合boussinesq近似[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。根据这一特征得到控制方程如下:
质量守恒方程:
式中:U为流体速度m/s;ρf为流体密度kg/m3;t为时间s。
动量守恒方程:
式中:u, v分别为U在x, y方向上的速度分量, m/s;p为孔隙压力, pa;μ为流体动力粘度, pa·s;α为流体膨胀系数, 1/k;为多孔介质渗透率, m2;为惯性损失系数, m-1;Am为固液糊状区域常数;β为液相分数。能量守恒方程:
式中:γ为液体所占空隙分数;hf为液相介质的焓, j/kg;hs为相变后固相介质的焓, j/kg;keff=εkf+ (1-ε) ks+ (1-ε) kp为有效导热率, W/ (m·K) ;kf为液相导热率, W/ (m·K) ;ks为固相导热率, W/ (m·K) ;kp为多孔介质骨架导热率, W/ (m·K) ;ρs=ρf[1-α (T-Tref) ]为固相介质密度, kg/m3。
1.3 边界条件
y=y0处, Tk为底层海水与海泥交界处温度, k;
r=RN处, α1为原油管道与管道内壁的当量换热系数, 120W/m3 (·K) ;
y=0处, T=TM为海底恒温层, 这里取275K。
2 数值模拟及结果分析
当海底管道上方发生泄漏时, 原油从上方泄漏口流出, 在初始的一段时间内, 管道周围海泥温度场变化较大, 泄漏原油形成一个以泄漏口为中心的热影响区域。从图2、3、4管道周围海泥温度图中可以看出:泄漏50s左右时, 330K等温线移动速度较快, 从泄漏口到底层海水之间的等温线均有不同幅度的上移。随着原油泄漏量的增加和原油泄漏速度的变化, 热油逐渐向下移动, 部分等温线也随之下移。150s左右时, 泄漏原油到达底层海水与海底砂土的边界位置, 并在海水浮力的作用下涌向海面。300s时泄漏已发展较为充分, 渗流原油前锋形成一个动态的凝油层, 沿管道中心线对称分布。从等温线的分布可以得出, 泄漏原油虽然范围不断扩大, 但其运动速率逐渐降低。泄漏前锋原油温降较快, 由于受到海底温度的影响, 原油与周围海泥换热后很快达到凝点, 导致热影响区域扩大速率逐渐减缓。
从图5、6、7中可以看出, 在底层海水和凝油层重力影响下, 泄漏原油在管道中心线附近两侧分布。泄漏原油在管道两侧对流较为强烈, 在压力作用下, 形成方向向下的涡流, 该过程与冻土区埋地热油管道泄漏过程相似, 随着时间的增加, 原油泄漏量不断增加。海泥中原油泄漏等压线分布较之土壤中不同, 海底原油管道泄漏分布不仅受到原油重力的影响, 还要受海底压强的影响, 因而海底管道原油泄漏等压线在管道下方的移动较之土壤中相同条件下略快。320K等温线泄漏在200s左右时, 下移约1m, 土壤中原油320K等温线在220s左右时到达管道正下方约1m处。
从原油泄漏速度分布图8、9、10中可以看出, 从泄漏口往外速度梯度分布逐渐递减, 距离泄漏口越远的位置其凝油层阻力越大。随着时间的增加, 泄漏口内外速度趋于平衡, 原油泄漏速度减小。当管道正下方穿孔时, 等温线和等压线移动速率相对更快。从热影响区域来看, 土壤中原油泄漏温度场与海底原油泄漏海泥温度场有诸多不同。
溢油进入底层海水后, 在海水浮力的作用下流向海面, 这个过程受到底层海水流速的影响。底层海水来流将溢油冲散成油滴状, 油滴在海水浮力作用下上升。从图11、12中我们可以看到, 上升过程受到海水流速、黏度等因素的影响, 溢油浓度受海水流速影响较大, 在海水的作用下, 油滴之间的距离不断变大, 随着油滴的不断溢出, 溢油速度不断减小。不同黏度的原油单位时间内流入海水中的流量相差较大, 黏度越小, 流量越大。当初始油滴到达海面形成小块油膜后, 水流速度在整个水域内的分布达到平衡, 溢油速度达到稳定。油水之间相互作用, 上浮油滴不断沿水流方向漂移[11]。油滴到达海面后, 受到表层海水流速和风速的影响, 成小块油膜分布。当海面风速较小时, 油膜沿海水流动方向横向扩散速率较大, 经过时间的积累, 呈现长而窄的油膜带。对于海面原油泄漏, 当油膜面积达到最大之后, 在海洋破碎波的作用下, 油膜破碎, 随洋流继续漂流[12]。从而在海面上形成较大规模的溢油面。海底原油管道泄漏后, 原油浮到海面时, 由小块油膜聚集成大的油膜。海面风速较大时, 油膜在海面上呈块状分布。
3 结论
本文通过对海底埋地输油管道泄漏过程的数值模拟, 得到了泄漏原油周围海泥温度场的分布状况, 分析了原油自海泥中渗出并涌至海面的过程。与土壤中原油管道泄漏相比, 海底埋地输油管道泄漏在相同压力和相同泄漏口尺寸的条件下, 受到海水压强的影响, 泄漏速率略快。溢油在海水浮力作用下涌向海面, 受到海水来流速度的影响, 在海水流动方向上有一定的偏移。模拟过程为基于温度传输的泄漏检测技术提供一定的理论基础。
摘要：采用有限容积法建立海底饱和含水淤泥多孔介质的流固耦合传热模型。利用FLUENT软件数值模拟了海底埋地输油管道输送过程中海泥温度场变化及原油在海泥中的分布规律。分析了原油泄漏后在海水中的分布规律。对泄漏后海泥温度场的模拟表明:管道泄漏后, 一定时间内管道周围海泥温度波动比较剧烈, 由于受海底温度的影响, 泄漏前锋原油温降较快, 热影响区范围变化逐渐趋于平稳。且随泄漏位置的不同, 海泥温度场变化及海泥原油分布差异较大。当原油从海底海泥介质中到达海水底层后, 在海水浮力的作用下流向海面, 流动过程受到海水流动速度海平面风速等因素的影响。为以温度传输为基础的海底埋地管道泄漏检测提供了一定的理论基础。
关键词：海底管道,泄漏,含水多孔介质,数值模拟
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