[4]󰀁JohnM.Simile.Detailedchemicalkineticmodelsforthecombustionofhydrocarbonfuels[J].ProgressinEnergyandCombustionScience29:599󰀁634(2003).[5]󰀁G.Loeffler,H.Herbier.,DoesCOBurninaFluidizedBed?󰀁ADetailedChemicalKineticModelingStudy[J].CombustionandFlame129:439󰀁452(2002).[6]󰀁蒋勇、邱榕.耦合详细反应动力学机理的碳氢燃料预混火焰结构数值预测[J].江苏大学学报,1007󰀁1741(2002)02󰀁0022󰀁04.[7]󰀁范维澄,王清安,张人杰,等.火灾科学导论[M].武汉:湖北科学技术出版社,1993,390󰀁391.[8]󰀁UMass,S.B.Pope,SimplifyingChemicalKinetics:IntrinsicLow󰀁DimensionalManifoldsinCompositionSpace.[J],CombustionandFlam,88:239󰀁264(1992).[9]󰀁RBender,TBlasenbrey,MassU.CouplingofdetailedandILDM󰀁reducedchemistrywithturbulentmixing[C].ProceedingsofTheCombustionInstitute28:101󰀁106Part1(2000).[10]󰀁ATNorris,SBPope.Modelingofextinctioninturbulent󰀁diffusionflamesbythevelocity󰀁dissipation󰀁compositionPDFmethod[J].CombustionandFlame100(1󰀁2):211󰀁220JAN1995.[11]󰀁JNafe,UMass.ModelingofNOformationbasedonILDMreducedchemistry[C].ProceedingsofTheCombustionInstitute29:1379󰀁1385Part12003收稿日期:2008󰀁09󰀁25;修回日期:2008󰀁11󰀁20第一作者地址:湖南省湘潭县金桂路消防大队电话:(0732)7801119危险化学品泄漏扩散数值模拟研究综述

朱󰀁毅1,刘小雨2(1.中国人民武装警察部队学院,河北廊坊󰀁065000;2.合肥市消防支队,安徽合肥󰀁230031)

摘要:对危险化学品泄漏扩散数值模拟的研究进行了综合。在总结、比较常见的几种经验模型和CFD模型的特点基础上,得出CFD模型的可靠性要优于经验模型,其中CFD数值模拟中湍流模型的选择和优化尤为重要。在此基础上,提出了危险化学品泄漏扩散数值模拟进一步研究的方向。关键词:危险化学品泄漏;扩散;数值模拟;优化

1󰀁引言近年来,随着我国经济的快速发展,对石油化工原料的需求也在逐年增加,由此导致危险化学品在生产、储存、运输和使用过程中事故频发,其中由危险化学品泄漏扩散而引发的火灾、爆炸和中毒事故占有很大比例。如2004年4月16日,重庆天原化工厂发生的氯气泄漏事故;2005年3月19日,京沪高速公路液氯泄漏事故;2006年12月5日,抚顺市100多t液态液化石油气泄漏事故;2007年2月25日,陕西临潼丙烯槽车泄漏事故等,这些事故都不同程度的造成了一定的财产损失和人员伤亡。深入研究危险化学品泄漏扩散规律可为风险评价、应急预案的制定和实施抢险救援提供技术支撑[1]。20世纪70年代美英等发达国家就开始对危险化学品泄漏扩散规律进行研究,我国自20世纪90年代也开始了这方面的研究,在国家󰀂八五 、󰀂九五 、󰀂十五 及󰀂十一五 项目的支撑下,取得了很大进展,并在事故预防及事故处理过程中得到了广泛应用。近三十多年来,关于危险化学品泄漏扩散规律的研究主要有以下三种方法:大规模现场试验、实验室研究和计算机数值模拟研究[2],而计算机数值模拟根据所采用的计算模型又分为经验模拟和计算机仿真模拟,计算机仿真模拟是当前危险品泄漏扩散规律研究的热点。在计算机数值模拟中,数值模型的选择在很大程度上决定模拟结果的可靠性和适应性。近二十年来,关于危险化学品泄漏扩散数值模型的研究主要有经验模型和CFD(ComputationalFluidDynamics)模型。2󰀁经验模型采用经验模型进行数值模拟是20世纪90年代研究危险化学品泄漏扩散规律的主要方法,所采用的数值模型主要有高斯模型、BM(BritterandMcQuaid)模型、SUTTON模型及FEM3(3󰀁DFiniteElementModel)模型等。由于影响泄漏扩散的因素很多,因此所有的这些经验模型都是建立在一定理想假设条件之上,也就限制了其适用范围。经验模型按其发展过程主要经历两个阶段:中性、浮性云扩散数值模型和重气云扩散数值352008年第12期消防技术与产品信息模型。2.1󰀁中性、浮性云扩散数值模型适用于中性、浮性云扩散的经验模型主要有高斯模型、SUTTON模型及FEM3(3-DFiniteElementModel)模型,其中高斯模型又分为高斯烟羽模型和高斯烟团模型。由于高斯模型没有考虑重力对气体扩散的影响,因此只适用于浮性云或与空气密度相差不多的中性云的扩散,但高斯模型提出的时间比较早,而且模型简单,易于理解,运算量少,因此应用比较广泛,如目前美国环境保护协会(EPA)所采用的许多标准仍以高斯模型为基础而制定[3]。SUTTON模型是用湍流扩散理论来处理湍流扩散问题的,适用于大规模长时间泄漏扩散,计算量少,但在模拟可燃气体泄漏扩散时误差较大。FEM3(3󰀁DFiniteElementModel)模型是三维有限元计算模型,于1979年提出,最初用于液化天然气(LNG)的突发性泄漏,也可用于模拟复杂地形条件下的气体扩散,获得了较好的结果,但其计算较为复杂。近年来,随着该模型的不断完善,已可处理毒性气体及可燃气体等许多重气云的扩散。2.2󰀁重气云扩散数值模型据劳动部统计,危险化学品泄漏事故造成的人员伤亡约90%与重气泄漏有关[4]。而根据以往事故统计,危险介质泄漏后多形成重气云团,其扩散行为与非重气云团有很大不同,主要包括重气云沉降、空气卷吸、云团加热和向非重气云团转变四个阶段。基于重气云与中性、浮性云扩散机理的不同,研究人员对于重气扩散采用了与中性、浮性云扩散不同的计算方式。最简单的是根据经验判断的唯象模型,而后是箱与相似模型,如DEGADIS(DenseGasDispersion)模型;较复杂的有根据浅层理论得到的浅层模型,如SLAB模型;BM(BritterandMcQuaid)模型是由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的试验数据绘制成的计算图标组成,适用于大规模长时间泄漏扩散,优点是计算量少,但精度一般;最复杂的则是三维流体力学模型[5,6]。由于重气泄漏事故的多发性和危害性,因此基于经验模型对各类重气泄漏扩散规律进行数值模拟是20世纪90年代前后研究的热点。但由于所有经验模型的建立都要作出一些理想化的假设,忽略了一些对危险介质泄漏扩散影响较为明显的因素,也就限制了模拟结果的适用性。相对而言,国外一些发展较为成熟的CFD软件近两年在研究危险化学品泄漏扩散规律方面却引起了研究人员的重视。3󰀁CFD模型󰀁󰀁利用CFD软件进行仿真模拟是近几年研究危险介质泄漏扩散的又一热点,FLUENT、CFX和PHOENICS作为三大计算流体力学软件[7],在研究危险化学品泄漏扩散方面均有应用[8~15]。基于CFD软件可视化能力较强,计算方法比较成熟,研究人员更多的是借助CFD软件从事危险化学品泄漏扩散计算机离线仿真模拟研究,并在实际应用中取得了较为理想的效果。对于绝大多数以加压或冷冻方式储存的危险化学品,介质泄漏后将以湍流形式进行扩散,因此利用CFD软件进行数值模拟时,湍流模型的选择在很大程度上决定模拟结果的可靠性。湍流模型作为CFD软件的重要组成部分之一,到目前为止,研究人员在模拟危险化学品泄漏扩散方面主要采用的湍流模型主要有标准k󰀁󰀁模型、RNG(RenormalizationGroup)k󰀁󰀁模型、Realizablek󰀁󰀁模型及SSG(SpezialeSarkarGatski)雷诺应力模型等,也有研究人员在现有两方程湍流模型的基础上作一些修改以满足特殊环境条件下危险介质扩散研究的需要,但缺乏这几种湍流模型之间定量化的比较。目前对于复杂地形和环境条件下气体扩散的研究方向主要有两个:一是用湍流统计理论进行研究,并改进现有的湍流模型。这是由于湍流流动本身的复杂性决定的,往往对一种流动十分有效的修正改进形式,而用于研究另外一种湍流流动时则存在局限性[16]。二是研究特殊环境条件,如大气湿度、稳定度等因素对危险化学品泄漏扩散的影响,应用比较广泛的是由美国环保署(EPA)和美国海洋与大气管理署(NOAA)共同开发的ALOHA(ArealLocationsofHazardousAtmosphere)软件[17]。事实上,无论对于CFD模拟还是改进现有的ALOHA软件进行数值计算,都存在一些无法解决的问题。应用CFD软件研究危险化学品泄漏扩散虽然能很好的解决复杂地形的问题,但无法解决大气稳定度、大气湿度对其扩散的影响。特别是对于以加压或冷冻方式储存的危险介质泄漏以后,要充分考虑其扩散过程中与地表之间热量的交换,包括空气的热传导、热对流甚至太阳的热辐射对介质扩散的影响。而应用ALOHA软件进行数值计算时,同样无法解决复杂地形所带来的问题。此外,对于诸如液氯、液氨等事故多发性介质的泄漏,由于该类气体的化学性质非常活泼,具有较强的腐蚀性和毒性,当发生泄漏时,与空气中的水分结合或自身聚合,放出大量的热,并形成气溶胶,其扩散特性同样受环境温度、压力、风速、大气湿度和释放源状态的影响很大。因此,目前危险化学品泄漏扩散数值模拟在很多方面还是比较理想化的研究。36朱󰀁毅等:危险化学品泄漏扩散数值模拟研究综述2008年第12期󰀁4󰀁结束语本文从经验模拟和CFD模拟两个方面总结了近三十年来危险化学品泄漏扩散数值模拟研究的现状,指出了当前经验模拟、CFD数值模拟所存在的不足。危险化学品泄漏扩散实时动态仿真模拟作为未来重要的研究方向之一,如何解决诸如复杂地形、大气稳定度、大气湿度等环境因素影响的一致性问题将在很大程度上决定数值模拟结果的可靠性和适应性。由于影响危险化学品泄漏扩散的因素较多,在考虑上述影响因素外,还应充分考虑泄漏介质的状态,而这一问题会随着湍流基本理论的完善而得到解决。参考文献:[1]󰀁任建国,鲁顺清.气体扩散数学模型在安全评价方面的应用[J].中国安全科学学报,2006,16(3):12󰀁16.[2]󰀁冯志华,聂百胜.危险气体泄漏扩散的实验方法研究[J].中国安全科学学,2006,16(7):18󰀁23.[3]󰀁丁信伟,等.可燃及毒性气体泄漏扩散研究综述[J].化学工业与工程.1999,16(2):118󰀁122.[4]󰀁姜传胜,等.重气连续泄漏扩散的风洞模拟实验与数值模拟结果对比分析[J].中国安全科学学报,2003,13(2):8󰀁13.[5]󰀁李萍等.公路隧道内危险物质泄漏扩散的研究[J].中国安全科学学报,2004,14(10):64󰀁68.[6]󰀁张江华,赵来军,吴勤.危险化学泄漏扩散研究探讨[J].中国安全生产科学技术,2007,3(1):8󰀁11.[7]󰀁姚征,陈康民.CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报,2002,24(2):137󰀁143.[8]󰀁SklavounosS,RigasF.Validationofturbulencemodelsinheavygasdispersionoverobstacles[J].JournalofHazardousMaterials,2004,A108:9󰀁20[9]󰀁黄琴,蒋军成.液化天然气泄漏扩散模型比较[J].中国安全生产技术,2007,3(5):3󰀁6.[10]󰀁陈建国,等.复杂地形下有害气体泄漏的模拟预测与输运规律[J].清华大学学报,2007,47(3):381󰀁384.[11]󰀁杨毅峰,等.基于FLUENT的气罐泄漏仿真计算[J].石油化工安全环保技术,2007,23(1):18󰀁20.[12]󰀁赵会军,等.罐区气体泄漏PHOENICS数值模拟研究[J].中国安全科学学报,2007,17(2):39󰀁43.[13]󰀁汪新.计算模拟建筑物对近源大气污染物扩散的影响[J].广东工业大学学报,2006,24(2):51󰀁55.[14]󰀁王东东,刘茂,李剑峰.FLUENT在公路隧道有毒气体事故泄漏扩散研究中的应用[J].安全与环境学报,2008,8(2):140󰀁143.[15]󰀁李振林,姚孝庭,张永学,等.基于FLUENT的高含硫天然气管道泄漏扩散模拟[J].油气储运,2008,27(5):濮阳市20万元装备灭火救援无线通信系统󰀁󰀁近日,河南省濮阳市消防支队(以下简称󰀂支队 )投入20万余元,购入1套无线接收设备、1部车载台和30部手持对讲机等无线通信及扩音设备,使灭火救援无线通信装备再上新台阶。战斗在火场一线的消防官兵要想了解火场情况和战斗状态,仅靠跑来跑去远远不能满足现代化灭火工作的需要。为保证一线官兵通信联络,提高灭火战斗的质量,近日,在经费紧张的情况下,支队新购进一批火场无线通信设备。为确保新购进的器材充分发挥作用,支队组织有关人员就电台的使用、保养方法进行了专业培训。支队要求:官兵要充分认识到无线通信对保障消防部队灭火救援工作任务的重要性,采取切实措施,强化无线通信装备管理,建立健全通信装备维护管理制度,制定无线通信器材设备管理制度,通信器材要实行定人使用和保管,手持台平时必须统一集中管理、放置、充电,保持待机状态,确保一旦出现紧急情况能立即启用。同时要求持机人员要熟悉器材性能和使用方法,正确使用和爱护通信器材,严格遵守操作规程,规范执机,妥善保管。结合无线通信设备的管理,支队要求司令部和基层各单位要制定现场指挥通信方案,指定专用通信频道,协调通信联络,及时接受火场指挥员指令,准确地传达指挥员的命令,有序地传递和沟通各种来自火场的信息,保障灭火救援现场通信联络的畅通。为确保火场通信设备的完好使用,支队决定结合执勤备战工作,开展定期或不定期的通信工作检查,并作为执勤备战检查的一项重要内容,及时发现和整改存在的问题。灭火救援通信设备的完善,为进一步提高部队作战指挥和快速反应能力,有效保证火场通信畅通,保证一线官兵安全将起到积极的作用。(小󰀁方)

󰀁󰀁󰀁38󰀁41.[16]󰀁张鸣远,景思睿,李国君.高等工程流体力学[M].西安交通大学出版社,2006.[17]󰀁EPA,NOAA.ALOHAusermanual[EB󰀁OL].[2007󰀁05󰀁08].http:󰀁󰀁www.epa.gov󰀁OEM󰀁cameo󰀁aloha.htm收稿日期:2008󰀁09󰀁25;修回日期:2008󰀁11󰀁21第一作者地址:河北省廊坊市武警学院消防工程系防火工程教研室电话:(0316)2068510372008年第12期消防技术与产品信息