開窗條件對(duì)室內(nèi)天然氣擴(kuò)散影響的模擬研究

石劍云，潘科

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

隨著燃?xì)庠诰用裆钪械钠占俺潭仍絹碓礁撸細(xì)馐鹿曙L(fēng)險(xiǎn)也隨之加大.室內(nèi)燃?xì)庑孤┖?，是一個(gè)受限空間內(nèi)的浮力射流在對(duì)流和擴(kuò)散作用下的氣體擴(kuò)散過程.研究燃?xì)庑孤U(kuò)散過程對(duì)預(yù)防室內(nèi)燃?xì)馐鹿视兄匾饬x.

吳晉湘等[1]在一側(cè)開有通風(fēng)窗的模擬室內(nèi)進(jìn)行了液化石油氣的泄漏實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉂舛入S高度分層，可燃區(qū)域是一個(gè)有一定厚度的水平區(qū)域.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD(計(jì)算流體力學(xué))被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散研究.郭楊華[2]、薛海強(qiáng)[3]、黃小美等[4]對(duì)氣體在受限空間內(nèi)泄漏擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好.王亞沖[5]驗(yàn)證了Reynolds平均湍流模型在氣體擴(kuò)散模擬中的有效性.這些研究對(duì)于CFD技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散起到了重大推動(dòng)作用.

燃?xì)庠谛孤U(kuò)散過程中，可燃區(qū)域在時(shí)刻變化.范旭東[6]通過對(duì)餐館廚房的燃?xì)庑孤┠M，研究了天然氣泄漏后在高度上的非均勻分布現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)濃度沿房間高度變化呈現(xiàn)雙線性的特征.于義成[7]發(fā)現(xiàn)泄漏量越大室內(nèi)燃?xì)鉂舛鹊姆謱蝇F(xiàn)象越不明顯，危險(xiǎn)性越高.陳琪等[8]模擬了室內(nèi)天然氣發(fā)生微量泄漏時(shí)氣體的擴(kuò)散累積情況，發(fā)現(xiàn)狹小空間及阻礙物區(qū)域燃?xì)鉂舛壤鄯e較快.韓永華等[9]研究了空間阻塞率對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)空間阻塞率超過一定值時(shí)，室內(nèi)將形成危險(xiǎn)區(qū)域.

門窗開啟及通風(fēng)條件對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散的影響是眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn).黃小美等[4]、盧鑒瑩等[10]研究發(fā)現(xiàn)，門窗關(guān)閉時(shí)可燃區(qū)域會(huì)先增大后減小，隨著門窗開度增大，可燃區(qū)域會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值.李紅培[11]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于開放式廚房，開窗有風(fēng)和用隔斷對(duì)廚房進(jìn)行隔離可以降低事故風(fēng)險(xiǎn).張麗[12]的數(shù)值模擬結(jié)果顯示室外通風(fēng)會(huì)使爆炸危險(xiǎn)區(qū)域很快達(dá)到穩(wěn)定，風(fēng)速超過一定值時(shí)，爆炸區(qū)域變小.于菲菲等[13]模擬了廠房內(nèi)的燃?xì)夤艿佬孤l(fā)現(xiàn)風(fēng)速在小孔泄漏時(shí)影響較大，風(fēng)速對(duì)位置較高處的影響大于地面附近.Zhirong Wang等[14]針對(duì)室內(nèi)CO2在通風(fēng)條件下的的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)氣體濃度在下風(fēng)側(cè)先增大再趨于穩(wěn)定，障礙物迎風(fēng)側(cè)會(huì)出現(xiàn)高濃度區(qū).

以上學(xué)者的研究大大推進(jìn)了人們對(duì)燃?xì)庑孤U(kuò)散過程的認(rèn)識(shí).然而，現(xiàn)實(shí)中場景和影響因素眾多，不同影響因素對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散的綜合作用還有待深入研究.本文擬重點(diǎn)研究泄漏速率和門窗條件對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散的綜合作用，從而為燃?xì)庑孤┦鹿实念A(yù)防和應(yīng)急處理提供理論依據(jù)和參考.

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

本文以廚房天然氣泄漏為研究場景.該廚房布局見圖1，長×寬×高=3 m×2.2 m×2.4 m，下廚柜占去3 m×0.6 m×0.8 m的空間，一門一窗，泄漏口中心坐標(biāo)為(1，0.3，0.8).文中采用了3種窗戶A、B、C.門、窗尺寸見圖2.門下留有0.01 m門縫，門套、窗套寬度0.2 m.

1.2 計(jì)算模型

描述天然氣在室內(nèi)泄漏擴(kuò)散過程的基本控制方程主要有質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分輸運(yùn)方程，所有方程可表示為[14-15]

(1)

式中,φ代表變量，Γφ為此變量的擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為此變量的源項(xiàng).將φ取不同的變量(密度、速度、能量、體積分?jǐn)?shù))，并取相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)，即可得到各控制方程.

使用ICEM CFD軟件建立如圖1所示的三維幾何模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.對(duì)泄漏口、壁面等位置網(wǎng)格進(jìn)行加密，并經(jīng)反復(fù)調(diào)試，綜合計(jì)算的精度和效率，取網(wǎng)格數(shù)量11.2萬.采用Fluent 15.0進(jìn)行計(jì)算模擬，選用SIMPLE算法、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，開啟組分輸運(yùn)模型和能量方程.

2 計(jì)算場景

假設(shè)大氣壓力為101325Pa，溫度300K.泄漏天然氣為純甲烷(CH4).參考《家用燃?xì)庠罹摺?GB 16410-2007)5.1.1規(guī)定，泄漏口設(shè)置為2000kPa的壓力入口.

泄漏口簡化為正方形，采用了3種尺寸參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高、中、低三種泄漏速率.改變泄漏口尺寸、門窗位置及大小、通風(fēng)條件等參數(shù)，文中模擬了室內(nèi)天然氣泄漏的11種不同情景，參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 計(jì)算情景及參數(shù)

考慮到廚房內(nèi)頂部、中部、底部的插座為潛在的引火源，參考插座高度，設(shè)置了P1、P2、P3三個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)記錄CH4的體積濃度，坐標(biāo)分別為(1,0,2.1)、(1,0,1.2)、(1,0.6,0.3).CH4的爆炸極限約為5%～15%，將CH4體積濃度處于5%～15%之間的區(qū)域稱為爆炸區(qū)域，在Fluent計(jì)算過程中實(shí)時(shí)判定爆炸區(qū)域的體積并用內(nèi)存變量記錄.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 泄漏口面積影響

情景1、2均為門窗關(guān)閉狀態(tài)，泄漏口面積比為4∶1.兩種情景下的P1、P2、P3三個(gè)測(cè)點(diǎn)的CH4體積濃度隨時(shí)間變化曲線見圖3.由圖3可看出：①在門窗關(guān)閉狀態(tài)下，室內(nèi)CH4的濃度基本呈線性升高的趨勢(shì)；②泄漏口的面積越大，室內(nèi)CH4的濃度升高速率越大，CH4的濃度升高速率基本上與泄漏口面積成正比；③室內(nèi)CH4濃度呈現(xiàn)隨高度分層的現(xiàn)象，水平位置越高CH4濃度越大，泄漏口面積越小濃度分層越明顯.

分別取情景1、2中600 s時(shí)刻，圖4為此時(shí)刻x=1(穿過泄漏口)處切片的CH4體積濃度等值線分布圖.可看出：CH4射流呈漏斗形向上方擴(kuò)散，此漏斗區(qū)為CH4濃度最高區(qū)域；由于CH4密度低于空氣，泄漏出的CH4在初始射流速度和浮力的雙重作用下匯聚于屋頂，室內(nèi)上部空間為CH4高濃度區(qū)域；CH4逐漸從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，從而形成了CH4的濃度分層.情景1中泄漏速率遠(yuǎn)大于情景2，因此射流的空間擾動(dòng)作用也比較強(qiáng)，從而使情景1中的濃度分層相對(duì)較小.

情景1、2、10中的爆炸區(qū)域體積隨時(shí)間的變化見圖5.可以看出：①情景1中泄漏速率遠(yuǎn)大于情景2，導(dǎo)致情景1中爆炸區(qū)域的形成時(shí)間遠(yuǎn)小于情景2：情景1中200 s左右爆炸區(qū)域達(dá)到最大，基本上廚房內(nèi)部全部為爆炸區(qū)域；情景2中400s左右爆炸區(qū)域達(dá)到最大.②由于CH4濃度超過15%將不能被引爆，隨著CH4濃度持續(xù)升高，爆炸區(qū)域達(dá)到最大后逐漸減小直至消失.情景1中爆炸區(qū)域持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)低于情景2，分別約為300s和800 s.③情景10中，當(dāng)室內(nèi)天然氣濃度超過爆炸上限后關(guān)閥，打開窗戶A.結(jié)果顯示開窗后爆炸區(qū)域重新增大并長時(shí)間保持.這說明情景1、2中的CH4濃度過高使得爆炸區(qū)域消失并不表示爆炸危險(xiǎn)性消失了，室內(nèi)仍存在較大的爆炸風(fēng)險(xiǎn).

3.2 門窗啟閉及通風(fēng)條件的影響

(1)門窗啟閉及通風(fēng)狀態(tài)對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散的影響

情景2、4、9分別為在中等泄漏速率下關(guān)窗、開窗、通風(fēng)三種情況.圖6為三種情景下爆炸區(qū)域的體積對(duì)比，圖7為三種情景下600 s時(shí)刻的速度矢量圖及CH4濃度云圖.由于泄漏口速度過高，不便于比較，圖7中舍去了泄漏口的速度矢量.圖7中的CH4濃度云圖用陰影表示，圖7(a)～7(c)中的陰影區(qū)域體積基本相同，但陰影區(qū)域的CH4體積濃度閾值分別為0.05、0.04、0.001.綜合圖6、7可看出：①情景2中的爆炸區(qū)域體積、CH4濃度均略高于情景4.從圖7的速度矢量圖中可看出情景4中部分高濃度氣體通過窗戶向外擴(kuò)散，這是導(dǎo)致情景4中爆炸區(qū)域、CH4濃度略低的原因;②情景9中爆炸區(qū)域體積幾乎為0，CH4濃度也僅為情景2中的2%左右.速度矢量圖顯示大量氣體向窗外高速擴(kuò)散.這表明向室外通風(fēng)對(duì)于降低室內(nèi)燃?xì)鉂舛确浅Ｓ行?

(2)開啟窗戶的作用分析

3.2節(jié)第(1)部分表明，開啟窗戶會(huì)使高濃度氣體向室外擴(kuò)散，對(duì)降低CH4濃度有一定作用.情景3、4、5為開啟窗戶時(shí)分別選取不同的泄漏口尺寸的情況.圖8為三種情景下爆炸區(qū)域的體積對(duì)比.可以看出：泄漏口越小，開窗對(duì)減小室內(nèi)爆炸區(qū)域的作用越明顯；泄漏口很小時(shí)，開啟窗戶使得室內(nèi)CH4濃度很難達(dá)到爆炸極限.

情景4、6、7在相同泄漏速率下開啟了不同的窗戶.情景4、6中的窗戶面積相同，但情景4中的窗戶為中部安裝，情景6中的窗戶為上部安裝.情景7中的窗戶面積是情景4、6中的2倍.圖9顯示了三種情景中P2測(cè)點(diǎn)的濃度變化.圖10顯示了三種情景下的爆炸區(qū)域體積.

圖9、10顯示：①情景4中的測(cè)點(diǎn)濃度略高于情景6，但情景6中的爆炸區(qū)域體積略高于情景4，這表明窗戶的高度在一定范圍變化對(duì)CH4擴(kuò)散有影響，但影響不明顯.②情景7中的測(cè)點(diǎn)濃度、爆炸區(qū)域體積均遠(yuǎn)低于情景4、6，這表明窗戶面積加倍大大加快了CH4向室外擴(kuò)散，從而降低了爆炸風(fēng)險(xiǎn).

(3)窗戶通風(fēng)的作用分析

3.2節(jié)第(1)部分表明，通風(fēng)對(duì)降低室內(nèi)CH4濃度有較大作用.情景8、9在打開門和窗戶A通風(fēng)的條件下分別采用了1 cm×1 cm和0.5 cm×0.5cm的泄漏口尺寸.圖11為兩情景下的測(cè)點(diǎn)濃度曲線.可以看出，即使在1 cm×1 cm大口徑泄漏條件下，廚房門0.5 m/s的通風(fēng)仍足以使室內(nèi)各區(qū)域CH4濃度低于爆炸下限.

在燃?xì)庑孤┦鹿侍幚碇?，?dāng)室內(nèi)燃?xì)鉂舛纫呀?jīng)很高時(shí)，需要迅速關(guān)閥并設(shè)法降低室內(nèi)燃?xì)鉂舛?情景10、11為CH4泄漏至爆炸上限后，關(guān)閉閥門，然后開窗無風(fēng)與開窗通風(fēng)兩種情況.圖12為情景10、11中的測(cè)點(diǎn)濃度比較.可以看出，通風(fēng)條件下的CH4濃度下降速度遠(yuǎn)高于無通風(fēng)條件.有通風(fēng)條件下，關(guān)閥400 s后室內(nèi)CH4濃度幾乎降為0；而無通風(fēng)條件下，關(guān)閥1 000 s后僅下部空間的 CH4濃度降到了爆炸下限.圖13為兩種情景下的爆炸區(qū)域體積比較.可以看出：關(guān)閥之后，有通風(fēng)時(shí)爆炸區(qū)域較小，且持續(xù)了400 s即完全消失；無通風(fēng)時(shí)爆炸區(qū)域較大，持續(xù)了1 400 s后才開始下降.

4 結(jié)論

(1)門窗關(guān)閉條件下，天然氣濃度上升速率基本與泄漏口面積成正比，爆炸區(qū)域體積先增大后減小直至消失.天然氣濃度超過爆炸上限后再開窗會(huì)導(dǎo)致天然氣濃度重新回到爆炸極限范圍;

(2)當(dāng)天然氣泄漏速率較小時(shí)，開窗可以使室內(nèi)爆炸區(qū)域體積大大降低.增大窗戶面積可明顯降低室內(nèi)燃?xì)鉂舛?

(3)當(dāng)天然氣泄漏速率較大時(shí)，只開啟窗戶對(duì)于降低氣體濃度作用不大.窗戶中部安裝和上部安裝對(duì)降低氣體濃度的作用相差不大;

(4)向室外通風(fēng)對(duì)于降低天然氣濃度作用很大.廚房門0.5 m/s的微風(fēng)基本就能保證高泄漏速率下的室內(nèi)氣體濃度不超標(biāo).當(dāng)室內(nèi)氣體濃度很高時(shí)通過開窗通風(fēng)也能迅速降到爆炸范圍以下.因此室內(nèi)天然氣泄漏后最優(yōu)的處置方案是關(guān)閉室外電閘、關(guān)閥、開門窗通風(fēng).

致謝:感謝遼寧省科技廳、大連交通大學(xué)對(duì)本文研究工作的資助與支持.