化工廠火災(zāi)-泄漏耦合作用下氯氣擴散的數(shù)值模擬

馬 力，何 松，牛 奕，李 乾，張 英，陳先鋒

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

在工廠潛在的安全隱患中，火災(zāi)是一種破壞力極強的災(zāi)害，它不僅會燒毀設(shè)備和建筑，還會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[1-2]。由于工業(yè)廠房的全尺寸火災(zāi)模擬具有破壞力強、實驗成本高、危險性大等因素，因此采用FDS軟件對工業(yè)廠房大尺度的火災(zāi)進行數(shù)值模擬是火災(zāi)研究的一種重要手段。考慮到工業(yè)園區(qū)內(nèi)廠房的實際情況，通過人為地控制不同的模擬參數(shù)，對研究火災(zāi)發(fā)展規(guī)律、指導(dǎo)安全防護工作具有重要意義。2000年美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)[3]首次發(fā)布并開放了模擬火災(zāi)中流體運動的計算動力學(xué)軟件——FDS(Fire Dynamics Simulator)，經(jīng)過不斷優(yōu)化與改善，該軟件被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)場景的模擬。此外,國外學(xué)者針對大空間建筑的火災(zāi)提出了Zukoski模型、McCaffrey模型、Heskestad模型等火羽流模型[4-6]。2001年我國學(xué)者張培紅等[7]較早地對大型公共建筑物火災(zāi)時人員疏散行為規(guī)律進行了模擬；隨后倪建生等[8]、宋波等[9]學(xué)者也分別通過FDS軟件對大空間建筑的火災(zāi)溫度場變化進行了一系列的研究。

工業(yè)廠房內(nèi)有毒化學(xué)氣體的泄漏具有濃度高、毒性強、不易擴散等特點。作為工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的化工原料，氯氣在塑料、漂白粉、有機氯化物的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[10]。據(jù)統(tǒng)計，全球大約有1/4左右的化工從業(yè)人員從事與氯氣相關(guān)的工作。作為重氣的一種，氯氣一旦泄漏，如果得不到控制，短時間內(nèi)會造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，開展化工廠氯氣泄漏擴散規(guī)律的數(shù)值模擬研究對于事故救援及人員應(yīng)急疏散十分必要[11]。國內(nèi)外學(xué)者對此也進行了一系列的研究，提出了重氣擴散的相關(guān)模型。如美國學(xué)者van Ulden[12]利用重氣云擴散試驗，首次提出了重氣擴散的“箱模型”概念；美國能源部的勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室提出了B&M模型[13]；美國海岸警衛(wèi)隊與氣體研究院提出了DEGADIS模型[14]；我國學(xué)者張維凡等[15]針對重氣的泄漏擴散首次提出了HYL模型；此外丁信偉等[16]、孫寶江[17]通過對重氣泄漏擴散模型進行深入研究，總結(jié)了重氣泄漏擴散的發(fā)生機理及其主要影響因素。

基于上述研究，本文采用FDS軟件分別對某化工廠氯氣(Cl2)泄漏、火災(zāi)和火災(zāi)-泄漏耦合條件下的氯氣泄漏擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。即通過分析常溫條件、火災(zāi)條件下氯氣泄漏的濃度分布，將兩種條件下氯氣的泄漏擴散情況進行了對比分析，找出氯氣在火災(zāi)條件下的泄漏擴散規(guī)律；同時還對比分析了火災(zāi)條件、火災(zāi)-泄漏耦合條件下溫度的分布情況。?；沸孤┩ǔ０殡S著火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生，本文通過研究火災(zāi)場景下有毒氣體泄漏事故，對指導(dǎo)人員逃生及事故應(yīng)急救援提供理論依據(jù)，具有重要的工程價值和社會現(xiàn)實意義。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

本文研究的對象是某氯堿工業(yè)化工廠車間，車間的尺寸為50 m×20 m×10 m(長×寬×高)，其中X方向的長度為50 m，Y方向的寬度為20 m，Z方向的高度為10 m;車間的四個側(cè)面的中間位置各有一個沿Z軸正方向的大門，尺寸為3 m×3 m;距廠房左側(cè)門內(nèi)部10 m處有一氯氣緩沖罐，高度為3 m、直徑為2 m，緩沖罐底部的中心坐標(biāo)為(11，10，0)，緩沖罐的設(shè)計壓力為0.5 MPa；緩沖罐由于腐蝕而發(fā)生泄漏，泄漏口位于緩沖罐的正上方，其大小尺寸為1 cm×1 cm，泄漏口中心坐標(biāo)為(11，10，3)；距儲罐右側(cè)3 m處有一火源，火源的大小尺寸為1 m×1 m，火源中心坐標(biāo)為(15.5，10，0)。本文在Y=10 m處設(shè)置了一處氯氣濃度監(jiān)測面，考慮到火源與泄漏口的相對距離，同時設(shè)置A(6，10，1.7)、B(12.5，10，1.7)、C(16，10，1.7)、D(26，10，1.7)、E(36，10，1.7)、F(50，10，1.7)6個監(jiān)測點來監(jiān)測車間內(nèi)氯氣濃度和溫度的變化。其中，A、B、C、D、E、F6個監(jiān)測點分別位于泄漏口左側(cè)5 m、泄漏口右側(cè)1.5 m、泄漏口右側(cè)5 m、泄漏口右側(cè)15 m、泄漏口右側(cè)25 m、右側(cè)出口的1.7 m高度處。某氯堿工業(yè)化工廠車間的幾何模型，見圖1。

圖1 某氯堿工業(yè)化工廠車間的幾何模型

1.2 模擬條件假設(shè)

模擬火災(zāi)條件下的氣體泄漏是一個相對復(fù)雜的過程，本文通過FDS軟件對火災(zāi)和氯氣泄漏的模擬條件做出如下假設(shè)：

(1) 假定氯氣泄漏過程為持續(xù)性泄漏，泄漏口的大小及氯氣泄漏速度不隨時間的改變而發(fā)生變化。

(2) 假定火源為柴油，并且用C12H23來代替。

(3) 假定氯氣和空氣均為理想氣體，并且氯氣在泄漏過程中不會因為意外而發(fā)生爆炸。

1.3 數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)

火災(zāi)的燃燒是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，伴隨著化學(xué)反應(yīng)的傳熱和傳質(zhì)，隨著燃燒時間的增加，火源熱功率會不斷地增大，車間內(nèi)的壓強和溫度都會不斷地發(fā)生變化。有毒化學(xué)氣體的泄漏擴散過程也是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，噴射出來的高壓氣體與空氣混合后會形成湍流運動，由于泄漏口處的管道內(nèi)外壓力差較大，導(dǎo)致泄漏口處氣體的流速相對較大。因此，火災(zāi)和氣體泄漏過程都會發(fā)生與周圍環(huán)境的質(zhì)量、能量和動量上的交換，火災(zāi)-泄漏耦合過程中的質(zhì)量、動量、能量、組分和狀態(tài)守恒方程如下：

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

能量守恒方程為

(3)

組分運輸方程為

(4)

狀態(tài)守恒方程為

(5)

FDS軟件采用的是基于大渦模擬的N-S方程來反映流體的湍流運動，該算法能顯示流體的預(yù)估-校正方案，在空間和時間上均為二階精度，其優(yōu)點是可以直接模擬大尺度湍流運動，同時還可以利用次網(wǎng)格模擬小尺度湍流運動對大尺度湍流運動的影響。流體的湍流運動采用大渦模擬的N-S方程可表示如下：

(6)

由于本文模擬的是火災(zāi)-泄漏耦合環(huán)境，因此采用的燃燒模型是混合組分模型。該模型假設(shè)化學(xué)反應(yīng)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于組分混合的時間，所有的反應(yīng)物和產(chǎn)物均可由混合組分來描述：

VFFuel+VOO2→∑iVp,iProducts

(7)

式中：Vp,i為燃料完全燃燒時的化學(xué)恰當(dāng)比(i代表物種；p代表Product)。

1.4 主要參數(shù)的設(shè)置與網(wǎng)格劃分

假定該氯堿工業(yè)化工廠廠房左側(cè)門為空氣入口邊界，空氣流速為1 m/s；前門、后門和右側(cè)門為氯氣出口邊界，氯氣泄漏口的泄漏速度為5 m/s。合理地劃分網(wǎng)格對模擬結(jié)果起著重要的作用，本文對泄漏口及燃燒口處附近的網(wǎng)格進行了局部加密，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)目為672 648個。某氯堿化工廠車間的網(wǎng)格模型，見圖2。

圖2 某氯堿化工廠車間的網(wǎng)格模型

對于火災(zāi)條件下的火源功率的確定，本文采用普遍成熟的非穩(wěn)態(tài)t2熱釋放速率模型[18]，其數(shù)學(xué)公式為Q=αt2[其中，Q為火源功率(kW)；α為火災(zāi)燃燒熱釋放速率的增長系數(shù)(kW/s2)；t為火災(zāi)發(fā)展時間(s)]?？紤]到本次模擬的化工廠廠房的尺度相對較大，假設(shè)其火災(zāi)類型為極快速型火災(zāi)，火災(zāi)燃燒熱釋放速率的增長系數(shù)α取值為0.187 8，火源功率Q在206 s左右達到峰值。根據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》，設(shè)置該化工廠內(nèi)火源功率為8 MW，模擬時的環(huán)境溫度為20 ℃，模擬時間T為1 200 s。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 氯氣泄漏條件下的模擬結(jié)果與分析

氯氣泄漏條件下不同時刻Y=10 m監(jiān)測面上氯氣濃度的分布,見圖3。

圖3 氯氣泄漏條件下不同時刻Y=10 m監(jiān)測面上氯氣濃度的分布

由圖3可見，小型儲罐泄漏的氯氣會在風(fēng)的作用下沿著地表向右擴散，100 s時氯氣大約擴散到了儲罐右側(cè)22 m;200 s時1 000 ppm(1 ppm=10-6)的氯氣濃度區(qū)域幾乎已經(jīng)擴散到了右側(cè)出口處;300 s時泄漏口右側(cè)430 ppm的氯氣濃度區(qū)域均已經(jīng)擴散到了1.7 m高度；600 s時隨著泄漏口右側(cè)氯氣濃度的增加，高濃度的氯氣不斷向上擴散;1 200 s時泄漏口右側(cè)1.7 m高度的氯氣濃度幾乎都大于1 000 ppm。

氯氣泄漏條件下各監(jiān)測點氯氣濃度隨時間的變化曲線，見圖4。

由圖4可見，監(jiān)測點A由于離進風(fēng)口較近，其氯氣濃度幾乎為0；監(jiān)測點B由于在泄漏口的下方，其氯氣濃度在100 s時就已穩(wěn)定在22 000 ppm左右；300 s時監(jiān)測點C處的氯氣濃度已經(jīng)達到了1 000 ppm左右；監(jiān)測點D處的氯氣濃度出現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢，這主要是因為在初始階段，泄漏出來的氯氣相對較少，一部分氯氣在風(fēng)的作用下向前后兩側(cè)門附近擴散，從而使監(jiān)測點D處的氯氣濃度降低，但隨著時間的增加，泄漏口附近累積的氯氣不斷增加，大部分氯氣向下風(fēng)向擴散，導(dǎo)致監(jiān)測點D處的氯氣濃度不斷增加；500 s時監(jiān)測點E、F處的氯氣濃度幾乎也已達到1 000 ppm。

圖4 氯氣泄漏條件下各監(jiān)測點氯氣濃度隨時間的變化曲線

2.2 火災(zāi)條件下的模擬結(jié)果與分析

火災(zāi)條件下各監(jiān)測點溫度隨時間的變化曲線，見圖5。

圖5 火災(zāi)條件下各監(jiān)測點溫度隨時間的變化曲線

由圖5可見，隨著火源功率的增大，廠房內(nèi)各監(jiān)測點的溫度不斷升高，由于監(jiān)測點C在火焰的正上方，350 s時溫度可穩(wěn)定在1 080 ℃左右;監(jiān)測點B處的溫度在400 s時升高到了100 ℃左右，且隨著時間的增加溫度最終穩(wěn)定在110 ℃左右；監(jiān)測點A、D、E處的溫度在1 200 s時幾乎都穩(wěn)定在55 ℃左右，這是由于燃燒產(chǎn)生的高溫氣體不斷向上擴散，到達廠房頂部后向四周擴散，隨著時間的增加，聚集在廠房頂部的高溫氣體不斷向下擴散，因此在距離火源較遠(yuǎn)的位置溫度相差不大；監(jiān)測點F由于處在右側(cè)出口位置，氣體溫度相對較低，可以達到33℃左右。

2.3 火災(zāi)-泄漏耦合條件下的模擬結(jié)果與分析

2.3.1 火災(zāi)-泄漏耦合條件下Y=10 m監(jiān)測面上氯氣濃度的分布

火災(zāi)-泄漏耦合條件下不同時刻Y=10 m監(jiān)測面上的氯氣泄漏擴散濃度分布，見圖6。

圖6 火災(zāi)-泄漏耦合條件下不同時刻Y=10 m監(jiān)測面上氯氣泄漏濃度的分布

由圖6可見，100 s時，一部分氯氣透過火源向右側(cè)出口處擴散，另一部分氯氣沿著火源左側(cè)向上擴散;300 s時，透過火源向右側(cè)出口擴散的氯氣逐漸減少，大部分高濃度氯氣聚集在泄漏口與火源之間，并隨著時間的增加不斷向上擴散;600 s和1200 s時，除了火焰附近區(qū)域外，廠房內(nèi)上部區(qū)域的氯氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于底部區(qū)域的氯氣濃度，這是由于在泄漏初期，氯氣沿著地面擴散到火源附近，火源產(chǎn)生的高溫和熱浮力會使一部分氯氣向上擴散，隨著火源功率的增加，氯氣在火源附近受到的高溫和熱浮力不斷增大，導(dǎo)致氣體向廠房頂部運動，在風(fēng)的作用下向下風(fēng)向擴散。

通過對比分析圖3和圖6可見，氯氣泄漏條件下Y=10 m監(jiān)測面上，由于氯氣受重力的影響，氯氣的高濃度區(qū)主要集中在儲罐右側(cè)3 m以下的區(qū)域；而火災(zāi)-泄漏耦合條件下Y=10 m監(jiān)測面上，氯氣的高濃度區(qū)主要集中在儲罐右側(cè)3 m以上的區(qū)域，這主要是受火災(zāi)高溫的影響。

2.3.2 火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測點溫度和氯氣濃度的分布

火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測點溫度和氯氣濃度隨時間的變化曲線，見圖7。

圖7 火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測點溫度和氯氣濃度隨時間的變化曲線

由圖7可見，由于監(jiān)測點A距離上風(fēng)口較近，在360 s時氯氣濃度才逐漸增加，最后穩(wěn)定在500 ppm左右；監(jiān)測點B處的氯氣濃度隨著時間的增加逐漸升高然后降低，這是因為隨著火源功率的增加，火源附近的溫度升高，泄漏口泄漏出來的氯氣在風(fēng)和熱浮力的作用下向儲罐右上方擴散；泄漏口右側(cè)監(jiān)測點C、D、E、F處的氯氣濃度也是呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢，這是由于在火災(zāi)初期，火源功率相對較小，一部分氯氣透過火源向右側(cè)出口處傳播，隨著火源功率的增加，火源附近的溫度和熱輻射強度不斷增加，透過火源的氯氣不斷減少，大部分的氯氣隨火源擴散到廠房頂部后才向下擴散。

通過對比分析圖4和圖7可見，氯氣泄漏條件下各監(jiān)測點的氯氣濃度隨著時間的增加逐漸增大；而火災(zāi)-泄漏耦合條件下，由于受火災(zāi)的影響，泄漏口右側(cè)各監(jiān)測點的氯氣濃度在火源功率達到穩(wěn)定后會出現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，但該條件下各監(jiān)測點的氯氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氯氣泄漏條件下的氯氣濃度。

通過分析對比圖5和圖7可見，火災(zāi)-泄漏耦合條件下各監(jiān)測點的溫度隨時間的變化規(guī)律與火災(zāi)條件下各監(jiān)測點的溫度隨時間的變化規(guī)律基本一致，都是以火源處為中心，隨著距離的增加溫度逐漸降低；但火災(zāi)-泄漏耦合條件下監(jiān)測點B處的溫度相對較低，這主要是由于儲罐中高壓氯氣泄漏時會吸收一部分環(huán)境中的熱量，從而導(dǎo)致泄漏口周圍的溫度相對較低。由此可見，火災(zāi)-泄漏耦合條件下主要表現(xiàn)為火災(zāi)對氯氣泄漏擴散濃度的影響，而氯氣泄漏擴散對火災(zāi)中溫度的影響相對較小。

3 結(jié) 論

本文采用FDS軟件分別對某工業(yè)廠房內(nèi)氯氣泄漏、火災(zāi)、火災(zāi)-泄漏耦合條件下的氯氣泄漏擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬，通過對比分析模擬結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 氯氣泄漏條件下，氯氣主要在風(fēng)的作用下沿著地面快速向下風(fēng)向擴散，當(dāng)?shù)竭_廠房右側(cè)時，一部分氯氣透過廠房右側(cè)門擴散到廠房外，另一部分氯氣在廠房右側(cè)墻壁的阻擋后向上擴散；火災(zāi)-泄漏耦合條件下，一部分氯氣在火源高溫和熱浮力的作用下向上擴散，到達廠房頂部后向四周擴散，且隨著時間的增加，累積在廠房頂部的氯氣會向廠房底部擴散，因此火災(zāi)-泄漏耦合條件下廠房底部的氯氣濃度比氯氣泄漏條件下氯氣的濃度相對較低，這其實變相地削弱了氯氣在地面附近的擴散傳播，對廠房內(nèi)距離事發(fā)地點較遠(yuǎn)處員工的逃生起到了一定的保護作用。

(2) 火災(zāi)條件下，廠房內(nèi)的溫度變化規(guī)律主要是以火源為中心隨著距離的增加逐漸降低；火災(zāi)-泄漏耦合條件下溫度的變化規(guī)律與火災(zāi)條件下溫度的變化規(guī)律一致，但主要區(qū)別在于火災(zāi)-泄漏耦合條件下泄漏口附近的溫度相對較低，這主要是由于泄漏出來的氯氣與空氣進行了熱交換所造成。