苯罐泄漏的CFD數(shù)值模擬

李 潔北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所

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苯罐泄漏的CFD數(shù)值模擬

李 潔
北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所

【摘 要】苯是一種石油化工基本原料，可燃，有毒，致癌。一旦發(fā)生泄漏，后果十分嚴(yán)重。本文分別采用Fluent和DEGADIS模型模擬苯的泄漏擴(kuò)散。研究結(jié)果可為泄漏事故的后果和風(fēng)險評估的提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】Fluent；DEGADIS；泄漏；數(shù)值模擬

石化企業(yè)生產(chǎn)、儲存和輸送著各種類型的危險物質(zhì)如易燃、易爆、有毒、有害及有腐蝕性氣體或液體等。通過高壓容器、儲罐、輸送工藝管線的破裂等事故致使這些危險物質(zhì)意外泄漏或釋放，泄漏出來的物質(zhì)可能會發(fā)生燃燒、爆炸事故或者對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，引起居民群體中毒甚至死亡。當(dāng)前污染物擴(kuò)散及其模擬研究大多針對重大事故。

事實上除了事故性的污染物泄漏擴(kuò)散外，更常見的是污染物的中低度泄漏擴(kuò)散，如泵、儲罐和管線等工藝設(shè)備的破裂而引起污染物短時間泄漏。盡管在發(fā)生泄漏后能通過連鎖等控制系統(tǒng)迅速控制泄漏事故而終止污染物泄漏過程，仍然會有一部分物料泄漏后向周圍擴(kuò)散并污染環(huán)境。

本文運用Fluent和DEGADIS模型模擬苯罐泄漏擴(kuò)散，并作對比分析，研究結(jié)果可為泄漏事故的后果和風(fēng)險評估的提供一定的參考。

1 模型簡介及國內(nèi)外應(yīng)用展望

1.1模型簡介

1.1.1DEGADIS模型

DEGADIS模型由Arkansas 大學(xué)的Tom Spicer和Jerry Havens 最初開發(fā)，并被美國EPA以及氣體研究所等單位資助和認(rèn)可。

適用范圍簡介：

（1）瞬時（即發(fā)生在幾秒鐘）。

（2）連續(xù)地面（即持續(xù)幾分鐘與很少或沒有變化在發(fā)射率）。

（3）連續(xù)噴射釋放。

局限性簡介：

使用該模型僅限于致密氣體釋放或液體泄漏，蒸發(fā)到密集的氣體。模型的適用性取決于計算理查森數(shù)釋放。DEGADIS 包括計算工具菜單下計算了理查森數(shù)。對于一個連續(xù)致密氣體釋放，理查森數(shù)大于32。對于一個密集的氣體釋放持久不超過幾秒鐘，大于700。

DEGADIS和噴射煙羽模型均采用平面大氣流場沒有障礙物，如建筑物或樹木。也沒有考慮到模型采取傾斜的地形。使用該模型僅限于條件擴(kuò)散的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體層的表面粗糙度周圍地區(qū)。

噴射模型是嚴(yán)格對垂直釋放。沒有水平噴射釋放速度納入模型。如果噴射釋放不垂直于地面，結(jié)果會不準(zhǔn)確。

1.1.2 Fluent模型

CFD軟件（Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學(xué)，簡稱CFD。CFD是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實驗、計算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實際問題。

FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、最流行的CFD軟件，F(xiàn)luent對流動問題的模擬得到了最廣泛的驗證。

FLUENT的材料數(shù)據(jù)庫包含了污染物和空氣混合物物理化學(xué)性質(zhì)的預(yù)先定義，節(jié)省了構(gòu)建氣體輸運混合材料的時間。

FLUENT提供強(qiáng)大的UDF（用戶自定義子程序）功能，運用這個功能，本文可以實現(xiàn)：模擬大氣邊界層的平均風(fēng)速剖面、瑞動能和瑞流耗散率。

1.2國內(nèi)外應(yīng)用情況展望

目前FLUENT在環(huán)保領(lǐng)域主要用于脫硫、脫硝反應(yīng)器內(nèi)部流場、溫度場、濃度場的模擬[1-12]，因為模擬結(jié)果與實際情況符合性高，已經(jīng)成為反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，但是Fluent在安評等咨詢業(yè)務(wù)中應(yīng)用較少。據(jù)悉國外某些風(fēng)險模擬，尤其是重氣體風(fēng)險預(yù)測，如LNG泄漏已經(jīng)提出用FLUENT進(jìn)行模擬的要求。因此， FLUENT模擬是今后風(fēng)險模擬的一個重要方向。

2 案例分析

通過兩種DEGADIS和FLUENT兩種模型對某個苯儲罐泄漏模擬，對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.1情景設(shè)定

為更好對比兩個模型，力求初始條件一致，進(jìn)行如下設(shè)置。

泄漏情景。

瞬時泄漏，即瞬間形成液池。

泄漏量。

2000kg/min，泄漏時間10min，總泄漏量20t。

氣象條件。

溫度：30℃。

地表溫度：70℃。

穩(wěn)定度：F。

風(fēng)速：1.5m/s。

2.2DEGADIS模型模擬及結(jié)果

（1） 網(wǎng)格設(shè)置。

本次模擬DEGADIS模型設(shè)置了40501個網(wǎng)格，如圖1。

圖1　DEGADIS模型網(wǎng)格設(shè)置

（2） 預(yù)測結(jié)果。

DEGADIS模型預(yù)測結(jié)果，見表1。

表1　DEGADIS模型預(yù)測結(jié)果表

從表中可以看出，苯罐泄漏IDLH1范圍為321.7m，IDLH2范圍為208.9m，不形成LC50濃度范圍。

2.3FLUENT模型模擬及結(jié)果

2.3.1建模

設(shè)定苯儲罐直徑為28m，高度為17m，選擇計算流域的尺寸為1300m×600m×300m。

2.3.2計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量很大程度上決定了模擬的效果，一般而言，網(wǎng)格越細(xì)，模擬效果越好，但會導(dǎo)致計算量的增加。一個好的解決辦法是對重要區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

本文局部加密按照重要程度主要有：包含儲罐的圍堰內(nèi)部；包含圍堰的更大一點的區(qū)域；以及該區(qū)域上下風(fēng)向的區(qū)域。

2.3.3邊界條件設(shè)定

CFD的求解過程，就是將邊界線或邊界面上的數(shù)據(jù)外推擴(kuò)展到計算流域內(nèi)部的過程。邊界面類型和邊界條件的設(shè)置如果不合適甚至不符合實際，將導(dǎo)致計算不收斂，無法實現(xiàn)準(zhǔn)確或精確模擬。因此，設(shè)置符合實際物理情況且合適的邊界條件是極其重要的。本案例中，需要設(shè)定的邊界有：風(fēng)流入口面、計算流域頂面?zhèn)让婧统隹诿妗尥鈿ず偷孛妗?/p>

2.3.4FLUENT條件設(shè)置

（1） 風(fēng)入口面設(shè)置。

平均風(fēng)速剖面選擇指數(shù)方法計算。由于苯儲罐多位于化工區(qū)，裝置，儲罐林立，設(shè)定粗糙指數(shù)為0.22，梯度風(fēng)高度300m。

風(fēng)入口面平均風(fēng)剖面采用用戶自編程序通過UDF接口連接。

（2） 求解模型。選擇k-ε模型。

2.3.5FLUENT模擬結(jié)果

（1） 風(fēng)場分布。

從模擬結(jié)果看，入口截面風(fēng)速呈現(xiàn)梯度變化。計算區(qū)域風(fēng)速由于罐區(qū)和圍堰的存在，近地面風(fēng)場出現(xiàn)變化流場分布圖，如圖2、3。

在儲罐及圍堰周圍部分出現(xiàn)大量渦流，導(dǎo)致計算區(qū)域原先平穩(wěn)的流場不再均勻。

渦流最強(qiáng)烈的地方位于圍堰內(nèi)部，也就是泄漏后液池所在區(qū)域，對于污染物初期的擴(kuò)散將產(chǎn)生重大影響。

近地面流場的影響范圍較大，一直延續(xù)到出口處，也就是距離儲罐1000m處，對于污染物的擴(kuò)散將產(chǎn)生重大影響。

（2） 濃度分布。

FLUENT模型模擬結(jié)果表見表2。苯的IDLH1范圍為600m，IDLH2范圍在圍堰內(nèi)部，LC50范圍在圍堰內(nèi)部。苯的濃度分布圖，如圖4-6。

圖2　模擬區(qū)域流場分布圖（Z=0.5m，m/s）

圖3　計算區(qū)域的流場分布圖（Z=10m，m/s）

圖4　計算區(qū)域濃度分布圖（x=50m；100m；200m；300m；400m；500m；600m；700m；800m；900m和1000m，kmol/m3）

圖5　計算區(qū)域濃度分布圖(Y=0，kmol/m3)

圖6　計算區(qū)域落地濃度分布圖（IDLH1范圍，z=0.5m，kmol/m3）

表2　FLUENT模型模擬結(jié)果表

2.4結(jié)果對比分析

將FLUENT和DEGADIS模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比，見表3。

表3　FLUENT和DEGADIS模型模擬結(jié)果對比表

表中可以看出，IDLH1的安全范圍FLUENT模型的預(yù)測結(jié)果要大于DEGADIS模型，而IDLH2的安全范圍，DEGADIS模型的預(yù)測結(jié)果要大于FLUENT模型；對于LC50的安全范圍，F(xiàn)LUENT模型與DEGADIS模型結(jié)果一致，但是FLUENT可以顯示面源區(qū)域的濃度分布。

原因分析：如前所述，DEGADIS模型模擬均勻風(fēng)場是有效的，但是由于儲罐及圍堰的阻擋，導(dǎo)致了儲罐周圍尤其是儲罐后部風(fēng)場的變化，加強(qiáng)了污染物和空氣擾動與混合，IDLH2濃度范圍大幅縮小——只限制在圍堰內(nèi)部；而同樣由于風(fēng)場的變化，污染物和空氣擾動與混合作用加強(qiáng)，IDLH1濃度范圍增加，較DEGADIS模型預(yù)測范圍增加了約一倍。

3 結(jié)論及展望

（1）FLUENT模型可精確模擬有害物質(zhì)尤其是重氣體的泄漏及擴(kuò)散情況。

（2）FLUENT模型模擬的前期準(zhǔn)備工作如建模等工序繁雜，如何進(jìn)行有效的簡化是今后研究的重點之一。

（3）將連續(xù)泄漏情景；濕度、地面溫度、太陽輻射強(qiáng)度和地形參數(shù)等因素考慮進(jìn)模型，進(jìn)行最為真實的模擬是今后研究的重點之一。

（4）FLUENT模型的輸出較為困難，無法滿足安評的需求，因此，應(yīng)考慮與其他軟件的結(jié)合以加強(qiáng)后處理工作。

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