FDS軟件在有限空間機(jī)械通風(fēng)模擬中的應(yīng)用研究*

楊春麗，劉 艷，BENJAMIN TRUCHOT，李祥春

(1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所，北京 100054；2.法國(guó)工業(yè)環(huán)境與風(fēng)險(xiǎn)研究所，法國(guó) 韋納伊法-哈拉特 60550；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

有限空間因封閉或部分封閉、進(jìn)出口受限，未被設(shè)計(jì)為固定工作場(chǎng)所，通風(fēng)不良，易造成有毒有害、易燃易爆物質(zhì)積聚或氧含量不足，在其內(nèi)作業(yè)具有較高風(fēng)險(xiǎn)，極易發(fā)生中毒窒息、燃爆等事故[1-3]，可能造成群死群傷的嚴(yán)重后果。近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，有限空間數(shù)量和作業(yè)頻次大幅增加，有限空間作業(yè)事故高發(fā)頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2020年上半年(至2020年6月18日)，全國(guó)就發(fā)生有限空間作業(yè)較大事故20起、死亡62人[4]，有限空間作業(yè)安全生產(chǎn)形勢(shì)不容樂(lè)觀。

事故統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明氣體危害是導(dǎo)致有限空間作業(yè)事故的主要原因[5-6]，通風(fēng)是消除或降低有限空間內(nèi)氣體危害、保證有限空間作業(yè)安全的重要技術(shù)措施[7-10]。在機(jī)械通風(fēng)時(shí)，有限空間內(nèi)氣體分布和變化規(guī)律受有限空間的結(jié)構(gòu)、污染物的性質(zhì)及濃度、通風(fēng)風(fēng)量、通風(fēng)方式等多種因素的影響[11-12]，加之目前有限空間作業(yè)常用的氣體檢測(cè)儀無(wú)法在人員進(jìn)入前全面檢測(cè)有限空間內(nèi)氣體濃度，僅靠經(jīng)驗(yàn)可能會(huì)造成通風(fēng)不徹底而存在安全隱患，因此，在實(shí)際操作中，對(duì)于常見(jiàn)的、作業(yè)頻次較高的典型有限空間，有必要借助計(jì)算流體力學(xué)軟件，掌握典型有限空間不同性質(zhì)氣體的分布規(guī)律，為實(shí)際的通風(fēng)提供支撐，以保障作業(yè)人員的安全。針對(duì)有限空間作業(yè)安全問(wèn)題，部分學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，Lloyd[13],Pesce[14],Zhao等[15-16]開(kāi)展了機(jī)械通風(fēng)條件下糞便池內(nèi)氣體分布規(guī)律相關(guān)研究，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中糞便池內(nèi)硫化氫濃度的變化規(guī)律，對(duì)比了糞便池形狀(方形和圓形)、結(jié)構(gòu)尺寸、換氣速率等對(duì)硫化氫氣體濃度變化的影響；譚聰?shù)萚17]通過(guò)采用FLUENT軟件模擬研究了機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中市政供熱有限空間內(nèi)氣流組織特點(diǎn)及內(nèi)部O2和CO2氣體運(yùn)移分布規(guī)律；劉艷等[18]通過(guò)自制的供熱有限空間實(shí)驗(yàn)裝置研究了機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中O2變化規(guī)律，并對(duì)比了不同通風(fēng)方案對(duì)O2恢復(fù)的影響。

從目前研究可看出，對(duì)于機(jī)械通風(fēng)條件下有限空間內(nèi)氣體分布規(guī)律相關(guān)研究還較少。為此，以市政供熱有限空間為例，采用FDS軟件研究有限空間內(nèi)通風(fēng)流場(chǎng)特性和氣體組分恢復(fù)規(guī)律，并將模擬結(jié)果與FLUENT所獲結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析FDS在解決此類(lèi)問(wèn)題的適用性，研究結(jié)果可為有限空間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬計(jì)算模型和模型參數(shù)

1.1 模型基本尺寸

本文模擬以某市政供熱有限空間為例，該市政供熱有限空間包含有1個(gè)檢查室、與檢查室相連通的管溝以及4個(gè)檢查井。檢查室尺寸為：長(zhǎng)6 m，寬5 m，高6 m，檢查室頂部距地面(即檢查井深)4 m，在檢查室的對(duì)角布置有2個(gè)檢查井，作業(yè)人員可通過(guò)檢查井進(jìn)入檢查室內(nèi)，2個(gè)檢查井井口下方均設(shè)置有平臺(tái)和階梯。2條管溝位于檢查室的兩側(cè)，管溝是拱形，管溝寬3 m，高2.5 m，兩側(cè)管溝距檢查室中心100 m處分別設(shè)1個(gè)直徑0.7 m的檢查井。管溝內(nèi)布置有2根直徑為0.8 m的供熱管道。供熱管道在檢查室內(nèi)分支出2條直徑0.6 m的管道，管道從檢查室側(cè)面穿出，在管道接口處設(shè)有閥門(mén)。供熱有限空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 供熱有限空間結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of confined spaces accommodated heating pipe

根據(jù)模型的尺寸，采用FDS軟件建立幾何模型，由于該軟件只能建方形體模型，在建幾何模型時(shí)候，拱形、圓形幾何模型采用近似和等效面積法創(chuàng)建，在本次模擬中，管溝的拱形部分采用分解原理，將每1個(gè)曲面分解為若干個(gè)方體，使模型盡量與實(shí)際相似，截面為圓形的檢查井和供熱管道采用等效面積法轉(zhuǎn)化正方形，其他尺寸與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相同，圖2是FDS軟件所建檢查室模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模型原點(diǎn)(0，0，0)位于檢查室底部中心位置。

圖2 FDS軟件所建檢查室模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 The internal structure of the model of examination room built by FDS software

1.2 邊界條件和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該供熱有限空間內(nèi)部的氣體包括O2，N2，CO2、水蒸氣、其他氣體，其體積濃度分別為：12%，81%，2.0%，2.5%，2.5%。其內(nèi)部供熱管道正在運(yùn)行中，表面溫度為60 ℃。在模擬參數(shù)設(shè)置時(shí)，供熱有限空間初始?xì)怏w成分和濃度以及管道表面溫度依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)數(shù)值設(shè)置。

通風(fēng)時(shí)，檢查室上方其中的1個(gè)檢查井為新鮮風(fēng)入口，其他3個(gè)檢查井井蓋為打開(kāi)狀態(tài)，風(fēng)流自由流出，通風(fēng)在常溫常壓下操作，新鮮風(fēng)流的溫度為25 ℃，新鮮風(fēng)氣體組分包括O2，N2，CO2、水蒸氣以及其他，其體積濃度分別為：20.9%，78%，0.03%，0.03%，1.04%，通風(fēng)風(fēng)量分別設(shè)置為6 000，10 000，14 000 m3/h。

本次模擬在檢查室以及管溝內(nèi)布置了V2，V4，V6，V94個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)位置分別為：V2(0,0,3)，V4(50,0,0.5)，V6(50,0,1.9)，V9(99,0,1.9)，其中V2位于檢查室中部，V4和V6位于管溝中段區(qū)域，V9位于管溝末段區(qū)域。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 風(fēng)速分布分析

本文以通風(fēng)量6 000 m3/h為例分析檢查室和管溝內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)分布。 檢查室內(nèi)Y=2截面風(fēng)速分布云圖如圖3所示，由圖3可看出，檢查室內(nèi)部風(fēng)速分布不均勻，平臺(tái)附近及其斜下方風(fēng)速相對(duì)較大，大于1 m/s，平臺(tái)上部的風(fēng)速分布相對(duì)比較均勻，約為1 m/s左右，平臺(tái)正下方風(fēng)速分布最小，為0.06 m/s左右。

圖3 Y=2 平面上風(fēng)速分布云圖(通風(fēng)后10 min)Fig.3 Wind velocity distribution on Y=2 plane (10 min after ventilation)

在管溝內(nèi)部，在Y=0平面上，沿著距管溝底部垂直距離分別為0.5，1，1.9 m的直線上風(fēng)速變化曲線如圖4所示(分別代表管溝下、中、上3個(gè)高度位置)。從圖4可看出，沿著管溝走向，隨著與檢查室中心點(diǎn)距離的增加下部風(fēng)速逐漸降低，中、上部風(fēng)速逐漸增大，并且中、上部風(fēng)速變化曲線基本相同；管溝上、中、下高度方向上的風(fēng)速分布大致分為3個(gè)區(qū)域：1)距檢查室中心3～40 m范圍(管溝前段區(qū)域)：管溝上、中、下位置風(fēng)速分布不均勻區(qū)域，下部風(fēng)速遠(yuǎn)大于中、上部；2)距檢查室中心40～94 m范圍(管溝中段區(qū)域)：管溝上、中、下位置風(fēng)速分布相對(duì)均勻區(qū)域，管溝上、中、下位置風(fēng)速基本相同；3)距離檢查室中心94～100 m范圍(管溝末段區(qū)域)：管溝上、中、下位置風(fēng)速分布不均勻區(qū)域，中、上部風(fēng)速大于下部。

圖4 沿管溝走向不同高度風(fēng)流速度(通風(fēng)后10 min)Fig.4 Velocity at different heights along the trench (10 min after ventilation)

風(fēng)流速度場(chǎng)的分布直接影響著O2濃度的恢復(fù)速率，因此,在研究O2濃度變化時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域?yàn)椋簷z查室平臺(tái)下方；管溝內(nèi)距檢查室3～40 m區(qū)域內(nèi)的管溝中、上部；管溝內(nèi)距檢查室中心94～100 m區(qū)域內(nèi)的下部。

2.2 O2濃度和CO2濃度的分布

以風(fēng)量為6 000 m3/h為例，通風(fēng)過(guò)程中不同觀測(cè)點(diǎn)處的O2濃度和CO2濃度隨時(shí)間變化如圖5和圖6所示。從圖5中可看出隨著外界新鮮風(fēng)的注入，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)O2濃度逐漸恢復(fù)，其恢復(fù)速度均隨著時(shí)間的增加逐漸減低，但各點(diǎn)O2濃度速度恢復(fù)不盡相同，位于檢查室內(nèi)的V2，O2濃度恢復(fù)相對(duì)最快，在3.9 min達(dá)到19.5% (低于19.5%為缺氧)，其次是位于管溝中段區(qū)域的測(cè)點(diǎn)V4和V6，這2個(gè)測(cè)點(diǎn)O2濃度恢復(fù)速率相同，均在7 min達(dá)到19.5%，位于管溝末段區(qū)域的測(cè)點(diǎn)V9，O2濃度恢復(fù)速度最慢，在13 min達(dá)到19.5%；各測(cè)點(diǎn)O2濃度恢復(fù)至正常(即20.9%左右)的時(shí)間相同，均是在32 min達(dá)到穩(wěn)定值20.9%左右。

圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處O2濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5 Variation of O2 concentration with time at each monitoring point

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.6 Variation of CO2 concentration with time at each monitoring point

通風(fēng)過(guò)程中CO2濃度分布與O2濃度分布正好相反，各點(diǎn)CO2濃度恢復(fù)至正常值(即0.03%左右)的時(shí)間基本一致，且與O2濃度恢復(fù)到正常值相同，因此，在實(shí)際通風(fēng)過(guò)程中可僅以O(shè)2濃度恢復(fù)情況作為衡量通風(fēng)效果的代表氣體。

沿管溝走向，不同高度O2濃度和CO2濃度沿程分布如圖7和圖8所示，選取通風(fēng)后6 min時(shí)的濃度場(chǎng)。分析時(shí)候選取的是Y=0截面上，距離地面高度分別為0.5，1，1.9 m的沿程分布，分別代表管溝下部、中部和上部。從圖7中可看出，沿著管溝走向，各點(diǎn)O2濃度隨著與檢查室中心點(diǎn)距離的增加而逐漸降低。在管溝前段區(qū)域，O2濃度呈下部高，中、上部低的分布規(guī)律，在中段和末段區(qū)域，管溝上、中、下部O2濃度基本相同，因此，可以管溝末段區(qū)域O2含量濃度衡量通風(fēng)效果。CO2濃度沿著長(zhǎng)度方向上的變化與O2濃度正好相反。

圖7 管溝不同高度O2濃度沿程分布(Y=0平面上)Fig.7 Distribution of O2 concentration along different heights of trench (on Y=0 plane)

圖8 管溝不同高度CO2濃度沿程分布(Y=0平面)Fig.8 Distribution of CO2 concentration along different heights of trench (on Y=0 plane)

2.3 溫度分布規(guī)律

以通風(fēng)風(fēng)量為6 000 m3/h為例，通風(fēng)過(guò)程中不同觀測(cè)點(diǎn)的溫度恢復(fù)曲線如圖9所示。從圖9可看出，通風(fēng)過(guò)程中，位于檢查室內(nèi)的測(cè)點(diǎn)V2溫度降低較快，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度為29 ℃，而管溝內(nèi)測(cè)點(diǎn)(V4，V6，V9)溫度降低相對(duì)較慢，并且3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線基本相同，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度為40 ℃左右，且各點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定值的溫度相同，均為4 min左右。

圖9 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.9 Variation of temperature with time at each monitoring point

沿管溝走向，距地面不同高度溫度沿程分布如圖10所示。從模擬結(jié)果可看出，各測(cè)點(diǎn)溫度隨著與檢查室中心點(diǎn)距離的增加先增加后降低，溫度的最高值是在管溝中部某個(gè)位置，并且管溝中、上部溫度相同，管溝下部的溫度略低于中、上部。

圖10 管溝內(nèi)不同高度溫度沿程分布Fig.10 Temperature distribution along different heights in pipe trench

2.4 通風(fēng)風(fēng)量對(duì)氣體恢復(fù)的影響

為分析不同通風(fēng)風(fēng)量對(duì)氣體恢復(fù)的影響，對(duì)比分析通風(fēng)風(fēng)量為6 000，10 000，14 000 m3/h時(shí)氣體濃度變化規(guī)律，分析時(shí)以管溝內(nèi)測(cè)點(diǎn)V6(50,0,1.9)為例，該測(cè)點(diǎn)不同風(fēng)量條件下O2濃度恢復(fù)曲線如圖11所示。隨著通風(fēng)量的增加，O2濃度恢復(fù)較快。對(duì)于該供熱有限空間，當(dāng)風(fēng)量為6 000，10 000和14 000m3/h時(shí)，O2濃度恢復(fù)至正常(20.9%)所需時(shí)間分別為32，20和9 min。因此，在實(shí)際通風(fēng)中，為確保安全，當(dāng)通風(fēng)量分別為6 000，10 000和14 000 m3/h 時(shí)，通風(fēng)時(shí)間不應(yīng)少于32，20和9 min。

圖11 不同風(fēng)量條件下測(cè)點(diǎn)V6 O2濃度恢復(fù)曲線Fig.11 O2 concentration recovery curve at V6of different air volume

3 與FLUENT軟件模擬結(jié)果比較

為了驗(yàn)證FDS軟件模擬結(jié)果的正確性、合理性，將模擬結(jié)果與通風(fēng)模擬較為常用的軟件FLUNET所得模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。采用FLUNET軟件模擬時(shí)，模型尺寸與實(shí)際供熱有限空間相同，內(nèi)部氣體濃度、邊界條件的設(shè)置、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置位置均與FDS軟件模擬設(shè)置相同。

3.1 O2，CO2濃度和溫度變化規(guī)律比較

FLUNET軟件模擬所得的O2和CO2濃度變化曲線如圖12所示，溫度變化曲線如圖13所示。通過(guò)與圖5、圖6和圖9進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)2種軟件獲得的O2，CO2濃度、溫度恢復(fù)規(guī)律基本相同，但是數(shù)值大小存在一定的差異：根據(jù)FLUNT軟件模擬結(jié)果，測(cè)點(diǎn)V2O2濃度在10 min時(shí)達(dá)到19.5%，各測(cè)點(diǎn)O2濃度在45 min達(dá)到20.9%左右，恢復(fù)速率略慢于FDS軟件所得結(jié)果；FDS軟件獲得的管溝中段區(qū)域相同位置不同高度的測(cè)點(diǎn)O2，CO2濃度、最終穩(wěn)定后的溫度相同，而FLUENT所獲得底部氣體恢復(fù)速度相對(duì)較快，中部次之，上部最慢，并且各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后的溫度不同；FDS模擬所得各監(jiān)測(cè)參數(shù)脈動(dòng)較大，而FLUENT模擬所得曲線相對(duì)較為平滑。

圖12 O2和CO2濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Curves of O2 concentration and CO2concentration over time

圖13 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Temperature curves with time at different monitoring points

3.2 計(jì)算所花費(fèi)時(shí)間比較

從時(shí)間消耗上看，在同樣計(jì)算機(jī)條件下，采用FDS軟件模擬計(jì)算到流動(dòng)10 min需要110 h左右，而FLUENT軟件則需要6 h，因此，其計(jì)算所消耗的時(shí)間是FLUNET的18.33倍。這一結(jié)果與Karim Van Maele的研究結(jié)果一致，Karim Van Maele將FLUENT和FDS在水平縱向通風(fēng)隧道臨界通風(fēng)速度預(yù)測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用對(duì)比，結(jié)果認(rèn)為 FDS軟件計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間多于FLUNET[19]。

4 結(jié)論

1)據(jù)FDS模擬結(jié)果，在本文模型和邊界條件下，機(jī)械通風(fēng)過(guò)程中，檢查室內(nèi)風(fēng)速總體較大，管溝內(nèi)風(fēng)速相對(duì)較??；在管溝內(nèi)，管溝前段區(qū)域底部風(fēng)速最大，風(fēng)速上下分布不均勻，而管溝中段區(qū)域上、中、下部風(fēng)速、O2濃度、溫度大小相同；各點(diǎn)O2，CO2濃度隨時(shí)間最終恢復(fù)至正常(與外界新鮮風(fēng)流相同)，并且二者恢復(fù)至正常的時(shí)間相同，在實(shí)際作業(yè)中，可僅以O(shè)2濃度恢復(fù)情況作為衡量通風(fēng)效果的代表氣體。

2)沿著管溝走向，各點(diǎn)O2濃度隨著與檢查室中心點(diǎn)距離的增加而逐漸降低，在機(jī)械通風(fēng)后的檢測(cè)中，應(yīng)以管溝末段區(qū)域O2濃度衡量通風(fēng)效果。

3)FDS軟件與FLUENT軟件獲得的O2濃度、CO2含量、溫度恢復(fù)曲線形式基本相同，數(shù)值大小存在一定的差異，F(xiàn)DS軟件在對(duì)風(fēng)流湍流細(xì)節(jié)的模擬上優(yōu)于FLUENT，但創(chuàng)建幾何模型方面存在一定的局限性。

4)采用FDS軟件進(jìn)行本文問(wèn)題的模擬時(shí)，可獲得供熱有限空間風(fēng)流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，可較好地反映風(fēng)流的湍流細(xì)節(jié)，并且模擬結(jié)果與FLUENT軟件模擬結(jié)果大致相同，可應(yīng)用在類(lèi)似問(wèn)題的模擬中。受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件限制，未開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與模擬結(jié)果的對(duì)比，因此，在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以對(duì)比分析模擬結(jié)果的精確性。