船艙CO2泄漏模擬分析 ①

李 席， 史正波， 程醒龍， 朱林林， 李宗群， 王傳虎,*>

(1.蚌埠學(xué)院 硅基新材料安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽 蚌埠 233030；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.蚌埠市神舟機械有限公司，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

船舶工業(yè)是國家經(jīng)濟的命脈之一，二氧化碳滅火系統(tǒng)在船艙中廣泛應(yīng)用[1]。近年，因二氧化碳的儲存、使用不當(dāng)可能導(dǎo)致二氧化碳泄漏事故較多，造成人員傷亡及嚴重的經(jīng)濟損失[2-4]。因此，對船艙二氧化碳泄漏擴散研究分析有重要意義。

顧帥威[5]、劉恩斌[6]、Kang Li[7]等研究了超臨界CO2管道泄漏特性。錢新明[8]等闡述管道輸送二氧化碳泄漏模型研究進展，提出了CO2管道泄漏的計算模型。陳兵等[9]利用軟件模擬研究了含雜質(zhì)CO2管道輸送泄漏擴散規(guī)律。

以上研究側(cè)重于CO2在管道內(nèi)及向開放空間泄漏擴散的研究，對于相對封閉空間的船艙CO2泄漏擴散研究涉及較少，因此，本文采用計算流體力學(xué)軟件探究船艙二氧化碳泄漏影響因素(泄漏速度、阻礙物高度和傾斜角)，為船艙CO2泄漏事故產(chǎn)生、預(yù)防及處置提供參考。

1 計算模型

1.1 基本假設(shè)和控制方程

為簡化分析，做出如下基本假設(shè)：

(1)整個過程沒有熱量傳遞；

(2)在泄漏過程中，不發(fā)生相態(tài)變化和化學(xué)反應(yīng)；

(3)二氧化碳泄漏速度不隨著時間變化而變化。

船艙CO2泄露擴散遵循的基本方程有連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分輸運方程，湍流模型選擇標準k-ε控制方程[9-10]。

1.2 初始條件

建立2D船艙物理模型，如圖1所示。計算區(qū)域為長5m×高2.4m[11]，距離船艙底部0.9m有直徑11mm[12]泄漏孔，泄漏孔對側(cè)靠近船艙頂部有高度400mm通風(fēng)口。為了更加二氧化碳泄漏擴散的影響，在計算區(qū)域設(shè)置測點，測點的高度設(shè)置為人的呼吸器官所在高度1.5m[13]，測點坐標列于表1中。

圖1 船艙二氧化碳泄漏物理模型

表1 測點坐標

模型網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格，在泄漏孔附近網(wǎng)格的最大尺寸為0.0005m，其它部分的最大網(wǎng)格尺寸為0.02m。通風(fēng)口設(shè)置為壓力出口，泄漏孔設(shè)置為速度進口，其余邊設(shè)定為墻(WALL)。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 船艙CO2泄漏過程

圖2是泄漏速度為3m/s時，豎直阻礙物高為1m，60s內(nèi)的氣體擴散過程中不同時間節(jié)點的CO2質(zhì)量分數(shù)空間分布圖。

圖2 不同時刻船艙CO2質(zhì)量分數(shù)空間分布

圖3 泄漏速度為5m/s不同時刻船艙CO2質(zhì)量分數(shù)空間分布

由圖2可知，船艙二氧化碳泄漏時，初始階段形成射流，由于空氣阻力和稀釋，逐漸發(fā)展成球形氣云，因二氧化碳是重氣氣體，所以球形氣云下半部分的質(zhì)量分數(shù)要高于上半部分。泄漏的二氧化碳氣云遇到阻礙物改變運動方向，一部分氣云沿著阻礙物爬升，氣云回流現(xiàn)象及靠近船艙底部沉積明顯，由于船艙壁面約束、橫向和縱向渦旋等共同作用，阻礙物背面存在空腔區(qū)[10]，該區(qū)域利于人員逃生。

2.2 泄漏速度

圖3是CO2泄漏速度為5m/s，其他條件一致時的擴散過程云圖，圖 4為泄漏速度5m/s時不同測點的CO2質(zhì)量分數(shù)分布。

(a)測點1 (b) 測點3

(a) 10s (b) 30s

(a) 10s (b) 30s

分析圖2～圖4可知，CO2泄漏的速度由3m/s增加至5m/s時，受重力沉降向下堆積越明顯，相同時間內(nèi)CO2氣體釋放量更大，靠近阻礙物前形成更高濃度區(qū)域，進而出現(xiàn)氣云沿船艙底面回流的現(xiàn)象愈明顯，CO2泄漏速度3m/s比5m/s更早達到測點1，達到使人致命的CO2濃度(0.1)[14]時間更緩慢，隨后形成的高濃度區(qū)域更小。當(dāng)泄露的CO2氣云越過阻礙物后，CO2泄露速度越大，在阻礙物背面形成空腔區(qū)越靠近船艙頂部，隨后形成的高濃度區(qū)域越大，留給人的逃生時間越短。

2.3 阻礙物高度

圖5和圖6分別是CO2泄漏速度為3m/s，阻礙物高度分別為0.5m[15]，1.5m二氧化碳質(zhì)量分數(shù)空間分布圖，圖 7 為不同阻礙物高度時測點二氧化碳質(zhì)量分數(shù)變化曲線。

由圖2、圖5～圖7分析可知，隨著阻礙物高度的增加，CO2氣云在水平方向的危險區(qū)域傳播變緩，阻礙物的左側(cè)會形成更多區(qū)域高濃度的二氧化碳氣體，渦流區(qū)更明顯。

CO2氣云越過阻礙物后，高度1m和高度1.5m的阻礙物在泄漏時間60s內(nèi)濃度都在0.1以下，而高度0.5m阻礙物在25s左右達到0.1的濃度，說明增加阻礙物高度可顯著降低CO2濃度，增加人逃生時間。

(a)測點1 (b) 測點3

(a) 5s (b)30s

(a) 5s (b)30s

2.4 阻礙物傾斜角度

CO2泄漏速度為3m/s，保持阻礙物高度一致，圖8、圖9分別是阻礙物向左傾斜45°傾斜和向右傾斜45°傾斜質(zhì)量分數(shù)空間分布圖。

結(jié)合圖2、圖7和圖8知，向左傾斜45°的阻礙物左側(cè)形成的高濃度二氧化碳區(qū)域最大，阻礙物向右傾斜45°時二氧化碳擴散的區(qū)域最大。從圖10a曲線圖可以看出，阻礙物向左傾斜45°時，從氣體泄漏開始幾乎瞬間就達到了0.1，阻礙物阻礙作用強弱順序：向左傾斜45°、直角和向右傾斜45°。阻礙物向左傾斜45°時，CO2氣云越過阻礙物繼續(xù)擴散的質(zhì)量分數(shù)上升的最慢，留給人的逃生時間最多，向右傾斜45°的阻礙物，下風(fēng)向高濃度CO2區(qū)域最大。

(a)測點1 (b) 測點3

3 結(jié) 論

本文基于計算流體力學(xué)分析了泄漏速度、阻礙物高度和阻礙物的傾斜角度對船艙二氧化碳泄露擴散的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 泄漏速度越大，向船艙底部沉積愈明顯，氣體擴散的范圍越大，回流現(xiàn)象越明顯，危險區(qū)域越大，留給人的逃生時間越短。

(2) 增加阻礙物的高度可顯著增加對二氧化碳泄漏的阻礙作用，顯著降低CO2濃度，增加人逃生時間。

(3) 向左傾斜45°的阻礙物阻礙效果最佳，回流效果最顯著。向右傾斜45°的阻礙物，下風(fēng)向高濃度CO2區(qū)域最大，人逃生越困難。