基于FLACS的水上LNG泄漏事故數(shù)值模擬分析

程 康，金全洲，范洪軍

(中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢430022)

基于FLACS的水上LNG泄漏事故數(shù)值模擬分析

程 康，金全洲，范洪軍

(中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢430022)

為準(zhǔn)確評(píng)估水上LNG泄漏事故的危害以降低事故造成的損失,采用挪威三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLACS進(jìn)行水上LNG泄漏事故數(shù)值模擬,分析數(shù)值模擬中相關(guān)場(chǎng)景及參數(shù)設(shè)定,為水上LNG泄漏事故的仿真計(jì)算提供參考。

數(shù)值模擬;液化天然氣;計(jì)算流體力學(xué);泄漏擴(kuò)散;FLACS

液化天然氣(LNG)替代傳統(tǒng)燃油作為船舶動(dòng)力燃料已引起各界關(guān)注,并成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的未來(lái)船舶綠色能源的首選。鑒于LNG的深冷和可燃特性,水上LNG安全應(yīng)用與發(fā)展的首要問(wèn)題就是LNG泄漏事故的風(fēng)險(xiǎn)控制。早期的研究基于唯象模型(經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?進(jìn)行無(wú)因次處理擬合出解析公式,該方法簡(jiǎn)單易行但精度較差［1-2］。箱及相似模型［3］具有概念清晰、計(jì)算量較小等優(yōu)點(diǎn),適合于數(shù)值模擬分析,但模型需假定速度和濃度的自相似分布,并且通常涉及不連續(xù)界面,具有很大的不確定性,不能模擬障礙物周圍或者復(fù)雜地形上的流動(dòng)擴(kuò)散。近期比較成熟的方法有美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)開發(fā)的DEGADIS大氣擴(kuò)散模型［4］和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型,三維CFD模型［5］是基于納維-斯托克斯方程組(N-S方程)的流體守恒定律模型,具有較強(qiáng)的科學(xué)依據(jù),可以提供最詳細(xì)的關(guān)于LNG蒸氣云在大氣中流動(dòng)和擴(kuò)散的描述,具有模擬復(fù)雜地形情形氣云擴(kuò)散的能力。也正因?yàn)槿绱?基于N-S方程的CFD模型被視為研究LNG泄漏蒸氣云擴(kuò)散的最好工具,代表了該領(lǐng)域研究的方向。三維CFD模型計(jì)算通常采用Fluent軟件完成,LNG為低溫液體,一旦發(fā)生泄漏,液態(tài)LNG急劇蒸發(fā)形成蒸氣,同時(shí)吸收大量的熱,使周圍空氣降溫,空氣和蒸氣混合形成重氣云團(tuán),這時(shí)蒸氣云擴(kuò)散形式為重氣擴(kuò)散行為,因此必須要考慮重力對(duì)擴(kuò)散行為的影響。當(dāng)LNG泄漏時(shí)間較長(zhǎng)或泄漏量較大時(shí),泄漏出的LNG射流來(lái)不及全部蒸發(fā),將會(huì)在地上或水面上形成液池,液池的擴(kuò)展、蒸發(fā)、消失等行為將會(huì)使LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程非常復(fù)雜［6］,采用通用軟件在參數(shù)設(shè)定上極為不便。挪威三維CFD軟件FLACS在LNG泄漏模擬方面具有權(quán)威性,并且是美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)CFR惟一認(rèn)可用于模擬LNG泄漏擴(kuò)散的CFD軟件。該軟件將大量參數(shù)內(nèi)置,在進(jìn)行水上LNG泄漏事故仿真計(jì)算時(shí)具有良好的操作性和準(zhǔn)確性,但目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究較少。為此,介紹采用FLACS軟件進(jìn)行水上LNG泄漏擴(kuò)散模擬的過(guò)程,以期推進(jìn)國(guó)內(nèi)對(duì)該方法的參考和應(yīng)用。

1 事故分析

L.Vandebroek和J.Berghmans對(duì)水上LNG泄漏事故進(jìn)行了研究,給出泄漏事故樹［7］,見圖1。

圖1 LNG泄漏事故樹

水上LNG泄漏后,會(huì)對(duì)人體造成低溫灼傷、對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成冷脆,擴(kuò)散LNG蒸氣云的爆炸極限為5%～15%［8］,遇到點(diǎn)火源后,會(huì)形成閃火、池火,在圍壁處所內(nèi)點(diǎn)燃則會(huì)出現(xiàn)蒸氣云爆炸。因此,水上LNG泄漏事故數(shù)值模擬的重點(diǎn)在于確定泄漏后形成的液池直徑和濃度處于爆炸極限內(nèi)的蒸氣云范圍。

2 仿真計(jì)算

2.1 網(wǎng)格選取

圖2 網(wǎng)格大小與計(jì)算精度、時(shí)間的關(guān)系

當(dāng)網(wǎng)格大于1 m時(shí),計(jì)算精度下降很快,同時(shí)選取1 m和1 m以下網(wǎng)格時(shí)精度基本沒(méi)有差異,計(jì)算時(shí)間卻相差很大,綜合可知進(jìn)行LNG泄漏擴(kuò)散分析時(shí)選擇核心區(qū)域網(wǎng)格大小為1 m為宜。

2.2 泄漏文件設(shè)置

通過(guò)FLACS外置液池泄漏文件*.POOL可以方便地在其液池?cái)U(kuò)展模塊中設(shè)定泄漏速率和泄漏時(shí)間,進(jìn)而給出泄漏量。該泄漏速率可以是定制速率,也可以是時(shí)間的變化量。例如,對(duì)于一個(gè)前10 s為定值泄漏速率(300 kg/s),后10 s線性減小到零的泄漏場(chǎng)景,可編輯液池泄漏文件見圖3。

另外還可通過(guò)FLACS內(nèi)置的leak wizard來(lái)設(shè)定泄漏量,見圖4。

在指定泄漏形式、初始泄漏體積、初始?jí)毫?、噴嘴直徑、液體溫度等參數(shù)后,leak wizard會(huì)自動(dòng)生成相關(guān)的泄漏文件。使用中發(fā)現(xiàn)leak wizard切斷泄漏控制的3個(gè)條件(迭代次數(shù),切斷壓力和泄漏總量)并列,即滿足其中任意一項(xiàng)則泄漏被終止。

圖3 利用POOL文件生成液池效果

圖4 FLACS中的leak w izard

用leak wizard模擬不同方向噴射泄漏的效果,見圖5。

利用POOL文件設(shè)置方便,計(jì)算效率高,但前提需已知泄漏量,且噴射方向無(wú)法設(shè)置;利用leak wizard設(shè)置,需要準(zhǔn)確把握初始參數(shù)和切斷參數(shù),計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng),但計(jì)算精度和模擬效果較POOL文件好。

3 實(shí)例分析

以內(nèi)河21 000 m3LNG運(yùn)輸船為例,其單罐容積為7 500 m3,初始?jí)毫?.4 MPa,液體溫度為-138℃［10］,泄漏時(shí)間1 800 s,風(fēng)速3 m/s［11］,穩(wěn)態(tài)D,核心區(qū)域網(wǎng)格尺寸1 m,利用POOL文件設(shè)置泄漏量。

圖5 不同方向的泄漏噴射模擬

計(jì)算結(jié)果與比利時(shí)大型LNG基礎(chǔ)設(shè)施公司Fluxys2012年的研究報(bào)告對(duì)比見表1。

表1 兩種結(jié)果對(duì)比

文中計(jì)算結(jié)果與Fluxys研究報(bào)告基本吻合。

4 結(jié)論

1)水上LNG泄漏事故主要造成的危害有低溫?fù)p傷、池火、閃火、噴射火和蒸氣云爆炸,為將事故后續(xù)傷亡降至最低,需對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬,確定泄漏形成的液池直徑和可燃蒸氣云范圍,以制定相應(yīng)保護(hù)措施;

2)采用FLACS進(jìn)行水上LNG泄漏事故分析時(shí),為同時(shí)保證計(jì)算的精度和效率,建議核心區(qū)域網(wǎng)格大小取為1 m;

3)FLACS對(duì)于泄漏量的設(shè)定有兩種方式, POOL文件簡(jiǎn)捷、計(jì)算速度快,但需提供泄漏速率,且不能模擬復(fù)雜泄漏情況;leak wizard能依據(jù)輸入?yún)?shù)自動(dòng)計(jì)算泄漏速率,且可模擬多種形式的泄漏,計(jì)算準(zhǔn)確度高,但設(shè)置較復(fù)雜,計(jì)算速度慢,建議結(jié)合實(shí)際需要選擇;

4)FLACS軟件能夠很好地對(duì)水上LNG泄漏事故進(jìn)行模擬和分析,并能將評(píng)價(jià)結(jié)果以圖表形式直觀地表達(dá)出來(lái)。相較于傳統(tǒng)方法,具有參數(shù)設(shè)置便捷,計(jì)算速度快,精度高等優(yōu)點(diǎn)。但是要合理正確地使用該軟件須結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)模擬過(guò)程中每一參數(shù)都要加以推敲,以確保每一輸入項(xiàng)的合理性,從而使模型能更準(zhǔn)確地反映工程事故實(shí)際。

［1］KOOPMAN,RONALD PE,DONALD L.Lessons learned from LNG safety research［J］.Journal of Hazardous Materials,2007,140(3):412-428.

［2］VDI.Dispersion of heavy gas emissions by accidental release-safety study［M］.Germany:Verein Dutscher Ingeniere,1990.

［3］KUNSCH J P,WEBBER D M.Simple box model for dense-gas dispersion in a straight sloping channel［J］. Journal of Hazardous Materials,2000,75(1):29-46.

［4］潘旭海,華 敏,蔣成軍.環(huán)境條件對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散影響的模擬研究［J］.天然氣工業(yè),2009,29(1):117 -119.

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［6］莊學(xué)強(qiáng).大型液化天然氣儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬［D］.武漢:武漢理工大學(xué),2012.

［7］VANDEBROEK L,BERGHMANS J.Safety aspects of the use of LNG formarine propulsion［J］.Procedia Engineering,2012,45:21-26.

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［11］段春鋒,繆啟龍.中國(guó)風(fēng)速變化特征及其影響因素［C］∥中國(guó)科協(xié)常委會(huì)青年工作專門委員會(huì)、國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)辦公室、中國(guó)科協(xié)組織人事部.第八屆博士生學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集.中國(guó)科協(xié)常委會(huì)青年工作專門委員會(huì)、國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)辦公室、中國(guó)科協(xié)組織人事部,2010.

Numerical Simulation for LNG Leakage Accident of Ship Based on FLACS

CHENG Kang,JIN Quan-zhou,FAN Hong-jun
(Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society,Wuhan 430022,China)

To assess accurately the consequences thatmay be led by liquefied naturalgas(LNG)leakage accidentof ships, numerically simulation for LNG leakage accidentofa ship is implemented based on the computational fluid dynamics(CFD)software FLACS.It is intended as a reference for simulation research relating to LNG leakage accident overwater by analyzing in detail the scenario and parameter setting in process of simulation.

numerical simulation;liquefied natural gas;computational fluid dynamics;leakage;FLACS

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.040

U698

A

1671-7953(2015)03-0169-04

2015-01-30

修回日期:2015-03-05

程 康(1986-),男,碩士,工程師

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造

E-m ail:kcheng@ccs.org.cn