容積式受限空間油料泄漏揮發(fā)特性模擬實(shí)驗(yàn)研究

李靜野， 蔣新生， 李進(jìn)， 余彬彬， 趙亞東

中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶 401331

油料在正常的儲(chǔ)存過程中會(huì)由于環(huán)境的改變導(dǎo)致儲(chǔ)油罐內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)變化，造成油料蒸發(fā)損耗，使儲(chǔ)油區(qū)域形成油氣環(huán)境，有較大的安全隱患．儲(chǔ)油洞庫(kù)是典型的受限空間結(jié)構(gòu)，其中不少儲(chǔ)存油料的空間屬于類似儲(chǔ)罐式、房間式的容積式受限空間，容積式受限空間雖四周受限，但其內(nèi)部空間卻有足夠大小讓氣體自由擴(kuò)散蔓延，油氣若聚集在個(gè)別區(qū)域內(nèi)并處于爆炸極限濃度范圍時(shí)，一旦遇到火源會(huì)立即形成爆燃，且空間內(nèi)部的設(shè)施設(shè)備等障礙物會(huì)促進(jìn)火焰的湍流擾動(dòng)，使爆燃發(fā)展至爆轟．油氣在坑道式狹長(zhǎng)受限空間內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)易受到頂部壁面以及通道結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)坑道不同的建筑特點(diǎn)有不同的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而在容積式受限空間中油氣的擴(kuò)散則更加自然，濃度分布更具備規(guī)律性．研究并掌握油氣在容積式受限空間中的擴(kuò)散蔓延特性，能對(duì)實(shí)際工程中的監(jiān)測(cè)監(jiān)控手段提供有效參考依據(jù)．

本文的模擬實(shí)驗(yàn)采用了油料中常見的汽油作為油料揮發(fā)特性研究的代表樣品，其主要成分為C5-C12的脂肪烴和環(huán)烷烴類，其中輕烴部分熔沸點(diǎn)更低，揮發(fā)性更高，以油氣中具有代表性的成分異辛烷(C8H18)為例，其相對(duì)蒸氣密度與空氣的比例為3.9∶1，密度差距導(dǎo)致了油氣在揮發(fā)擴(kuò)散的過程中易形成坍塌現(xiàn)象，整體氣云高度偏低，垂直方向上地面濃度偏大，同時(shí)具有較長(zhǎng)的橫向蔓延距離，因此，油氣在自然擴(kuò)散條件下的濃度與瓦斯、氫氣等輕質(zhì)可燃?xì)怏w相比具有不同的分布規(guī)律．20世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)外研究人員便已通過實(shí)驗(yàn)手段對(duì)重質(zhì)氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[1-15]．常見的實(shí)驗(yàn)研究手段主要分為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及模擬實(shí)驗(yàn)兩種，國(guó)外學(xué)者于20世紀(jì)70年代進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[16]，通過改變氣體類型和實(shí)驗(yàn)工況，所得結(jié)論也為后期對(duì)氣體擴(kuò)散的機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)．模擬實(shí)驗(yàn)作為現(xiàn)階段的主要實(shí)驗(yàn)研究方法，通過在相對(duì)較小尺度的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)氣體的擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，雖然從精準(zhǔn)度上達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)水準(zhǔn)，但模擬實(shí)驗(yàn)重復(fù)性高，更易監(jiān)測(cè)，工況更加可控，不少研究人員已經(jīng)在小尺度模擬實(shí)驗(yàn)上得出了適用于真實(shí)工況下且能客觀描述氣體擴(kuò)散規(guī)律的有效結(jié)論．吳昊坤等[17]利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)建立了一套適用于大氣擴(kuò)散拖曳式水槽模擬的濃度場(chǎng)定量測(cè)量方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠模擬一定情況下的大氣擴(kuò)散，并能得出不同的大氣條件對(duì)污染物濃度分布的影響；蒯念生等[18]根據(jù)相似原理提出了一種利用清水槽中的鹽水流擴(kuò)散來模擬大氣中的氣體擴(kuò)散，通過選取適當(dāng)?shù)奶卣髁?，將鹽水運(yùn)動(dòng)與氣體運(yùn)動(dòng)的控制方程組無量綱化，分析兩者間的相似性，得到了一系列量化的相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出了對(duì)應(yīng)的模擬方案；Krogstad和Konig-Langlo等[19-20]進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上利用風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)分析了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的流場(chǎng)和密度場(chǎng)的數(shù)值；Li等[21]則采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了羽流擴(kuò)散中環(huán)境風(fēng)速/環(huán)境風(fēng)溫度、相對(duì)濕度和排氣出口流速對(duì)羽流沉降的影響；Havens等[22]以CO2為研究對(duì)象，測(cè)量了存在障礙物環(huán)境下不同流速和環(huán)境風(fēng)速下CO2的擴(kuò)散程度，進(jìn)一步完善了重氣擴(kuò)散模型中的垂直湍流夾帶和煙羽流的擴(kuò)散關(guān)系．綜上所述，研究人員對(duì)于氣體擴(kuò)散理論的模擬實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了較為豐富的成果，但主要研究對(duì)象集中在單組分氣體上，對(duì)于油氣這樣的多組分復(fù)雜工質(zhì)氣體的研究較少；現(xiàn)有的模擬實(shí)驗(yàn)手段通常采用的風(fēng)洞模擬和水槽模擬兩種，對(duì)油氣在密閉容積式受限空間中的自然揮發(fā)特性研究成果較少，尤其是對(duì)于空間內(nèi)部多點(diǎn)式實(shí)時(shí)測(cè)量手段的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)缺乏．本文通過測(cè)量并分析汽油在不同工況下的自然揮發(fā)速率、油氣在容積式受限空間的濃度分布，以及對(duì)油氣揮發(fā)過程進(jìn)行直接的觀測(cè)分析，所得結(jié)論可為油氣爆炸防控、預(yù)警設(shè)備的研發(fā)提供理論參考．

1 紋影系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了能夠直觀地觀測(cè)到油氣在脫離油料液面后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，本文引入了紋影系統(tǒng)．該系統(tǒng)主要包括了光源支座系統(tǒng)、紋影鏡支座系統(tǒng)、成像支座系統(tǒng)、激光器支座系統(tǒng)等，通過油氣揮發(fā)時(shí)氣體密度的變化導(dǎo)致折射率的變化，擾動(dòng)光線傳播，可將油氣在空氣中的擴(kuò)散蔓延轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暤膱D像[23-25]，經(jīng)高速相機(jī)記錄為視頻資料后，可以肉眼觀測(cè)到油蒸氣的行進(jìn)軌跡．紋影系統(tǒng)是對(duì)油氣擴(kuò)散現(xiàn)象的基礎(chǔ)性研究，其定量測(cè)量密度場(chǎng)的依據(jù)為Gladstone-Dale公式，如公式(1)：

(1)

紋影測(cè)量方法由測(cè)量的流場(chǎng)折射率分布再轉(zhuǎn)換為密度分布，其中，ρs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度，β為無量綱常數(shù)，K為Gladstone-Dale常數(shù)．圖1為典型的紋影原理光路圖．為研究汽油的揮發(fā)機(jī)理，采用表面積為230.89 cm2的油池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在室內(nèi)密閉環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為22 ℃，室內(nèi)濕度為81%．調(diào)整紋影系統(tǒng)保持光路暢通，同時(shí)擺放好相機(jī)以便得到清晰的紋影圖像數(shù)據(jù)．圖2為本實(shí)驗(yàn)紋影系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置情況，其中盛油容器搭配支架可將其固定于拍攝區(qū)域內(nèi)以便于觀察．

圖1 紋影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)利用紋影系統(tǒng)拍攝了水蒸氣以及油蒸氣在空氣中的揮發(fā)過程，由蒸氣云團(tuán)與空氣的密度差可以觀測(cè)到云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡．由圖3可見，水蒸氣從液面揮發(fā)后，云團(tuán)主要朝液面正上方以及斜上方運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可觀測(cè)到存在一層蒸氣云緊貼容器底部，且運(yùn)動(dòng)速率較緩，湍流程度較低．

圖2 紋影系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

圖3 水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散

圖4為靜置狀態(tài)下的汽油揮發(fā)過程，由于水蒸氣密度約為0.6 kg/m3，汽油蒸氣密度為4.14 kg/m3，因此油蒸氣在揮發(fā)離開液面后有明顯的重力沉降效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)偏斜下方．圖4(a)為擴(kuò)散初期，可以觀測(cè)到云團(tuán)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要為層流，未出現(xiàn)明顯渦團(tuán)．隨著擴(kuò)散過程的進(jìn)行，從圖4(b)中可觀測(cè)到容器右側(cè)頂點(diǎn)處開始形成小尺度渦團(tuán)，圖4(c)可以看到云團(tuán)運(yùn)動(dòng)方向已經(jīng)發(fā)生改變且逐步開始向湍流轉(zhuǎn)捩，渦團(tuán)個(gè)數(shù)和大小增加．圖4(d)為擴(kuò)散中后期，可以看到油蒸氣云團(tuán)處于長(zhǎng)時(shí)間湍流狀態(tài)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向也呈變化趨勢(shì)．根據(jù)油氣的揮發(fā)過程可以推斷出擴(kuò)散現(xiàn)象具備一定的隨機(jī)性和非對(duì)稱性，該性質(zhì)可能導(dǎo)致濃度分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)中同工況下同位置的油氣濃度檢測(cè)發(fā)生數(shù)值偏差．

圖4 油蒸氣在空氣中的擴(kuò)散

圖5 通風(fēng)環(huán)境下油氣揮發(fā)過程

圖5為通風(fēng)狀態(tài)下的油氣揮發(fā)過程，可清晰觀測(cè)到液面在上方高速氣流影響下云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)油氣擴(kuò)散方向已經(jīng)不局限于容器下方，氣體流動(dòng)攜帶的動(dòng)能克服了重力勢(shì)能影響使云團(tuán)朝液面上方運(yùn)動(dòng)，且受到氣流影響的渦團(tuán)破碎成更小體積并加速運(yùn)動(dòng)，在紋影系統(tǒng)上呈現(xiàn)出更高的對(duì)比度．由此可見，系統(tǒng)內(nèi)若存在較高的氣流速度會(huì)影響到油氣云團(tuán)的總體運(yùn)動(dòng)模式，同時(shí)對(duì)油氣擴(kuò)散蔓延的進(jìn)程起到一定的促進(jìn)作用．

2 油氣揮發(fā)速率模擬實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

圖6 串口參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)

通過紋影系統(tǒng)可以清晰地觀測(cè)到油氣在擴(kuò)散過程中受到的重力效應(yīng)高于浮力效應(yīng)，在沒有風(fēng)速干擾的條件下主要運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為斜下方并易在容器邊緣形成渦團(tuán)．在油氣擴(kuò)散現(xiàn)象中，除了運(yùn)動(dòng)特性外，揮發(fā)速率對(duì)于安全評(píng)估也是一個(gè)重要參數(shù)，高揮發(fā)速率意味著空間內(nèi)部能夠更快形成處于爆炸極限范圍內(nèi)的油氣蒸氣云．本實(shí)驗(yàn)對(duì)常規(guī)的洞庫(kù)環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，通過對(duì)溫度和泄漏面積的調(diào)節(jié)模擬實(shí)際工況中的氣候和泄漏量對(duì)揮發(fā)速率的影響，考慮到洞庫(kù)大多通風(fēng)性能較差且空間密閉，通常處于低風(fēng)速或無風(fēng)的狀態(tài)，因此實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)定在室內(nèi)且空間密閉．油料揮發(fā)過程的溫度采用朗越HH-2恒溫水浴箱來進(jìn)行控制．為了更高的實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度，此次測(cè)量汽油質(zhì)量變化選用分析天平型號(hào)為Ohaus Discovery DV215CD，該天平最大稱量為210 g，精度最高可達(dá)0.000 001 g，為方便長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，該天平可通過串口調(diào)試工具連接個(gè)人電腦并按照預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)．圖6為軟件的設(shè)置界面，可實(shí)現(xiàn)端口選擇、調(diào)節(jié)保存頻率等功能；圖7為軟件數(shù)據(jù)采集頁(yè)面，能夠?qū)崟r(shí)記錄油料與容器的質(zhì)量變化，本實(shí)驗(yàn)采集頻率設(shè)定為0.1 Hz．實(shí)驗(yàn)盛油容器采用多種口徑聚丙烯量杯．

圖7 天平質(zhì)量數(shù)據(jù)采集區(qū)

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了環(huán)境溫度T (℃)、 濕度RH (%), 油料揮發(fā)面積S(m2), 油料揮發(fā)時(shí)間t(s), 不同時(shí)間間隔的油料質(zhì)量m (g). 通過式(2)計(jì)算油料揮發(fā)速率v 為

(2)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 油氣揮發(fā)速率通用規(guī)律

圖8為室溫23 ℃，濕度65.8%時(shí)油料揮發(fā)速率隨時(shí)間的變化曲線，由天平記錄的質(zhì)量損失對(duì)揮發(fā)時(shí)間求導(dǎo)所得．其中容器質(zhì)量為62.73 g，表面積為95 cm2，共盛入11.13 g油料，共經(jīng)68.26 h之后揮發(fā)殆盡．可以看出油料質(zhì)量損耗速率隨時(shí)間呈逐漸下降趨勢(shì)，對(duì)該曲線做多項(xiàng)式擬合可得式(3)：

(3)

揮發(fā)速率v隨時(shí)間t單調(diào)遞減，根據(jù)圖8展示的揮發(fā)速率曲線可將油料在容積式受限空間中揮發(fā)過程分為兩個(gè)階段：其中前10 h內(nèi)處于高速揮發(fā)階段，10 h以后處于緩慢揮發(fā)階段，圖中可觀測(cè)到油料揮發(fā)速率自始至終存在較小的波動(dòng)，造成此現(xiàn)象的原因除液面溫度變化外，還存在空間內(nèi)湍流氣體影響．根據(jù)上述結(jié)論可以認(rèn)為，汽油在自然揮發(fā)的狀態(tài)下前1/7時(shí)間段內(nèi)揮發(fā)速率相對(duì)較高，隨著輕質(zhì)易燃燒組分減少，汽油會(huì)由于雜質(zhì)析出而顏色變深[26]，如圖9所示．此時(shí)揮發(fā)速率開始逐漸平穩(wěn)，下降趨勢(shì)變緩，此過程約占6/7的總揮發(fā)時(shí)間．因此，油料發(fā)生泄漏，若空間狹小且通風(fēng)情況不佳，則極有可能出現(xiàn)殘油量且室內(nèi)油氣濃度已達(dá)到爆炸極限的危險(xiǎn)情況，因此若在滿足上述工況的儲(chǔ)油區(qū)域發(fā)現(xiàn)殘油需盡快處理．實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在室溫21.5 ℃，開口內(nèi)徑同為11 cm的容器里，分別盛入質(zhì)量為120.78 g以及11.1 g的油料，可觀測(cè)到120.78 g的油料在前3 h內(nèi)的平均揮發(fā)速率為1.75 g/h，11.1 g的油料在前3 h內(nèi)的揮發(fā)速率為0.94 g/h，因此，油料的揮發(fā)速率隨著泄漏量的增加而增加，實(shí)際工程中若簡(jiǎn)單地通過殘油量判斷泄漏情況容易形成誤判．

圖8 油料揮發(fā)全過程速度曲線

圖9 油料實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比

油池中的油料可以視作由無數(shù)液滴組成的集合體，油料在從密封容器泄漏到開敞空間時(shí)，液滴開始從外部環(huán)境不斷吸收熱量，液滴的溫度不斷提高，液滴的表面首先開始揮發(fā)，且根據(jù)傳熱學(xué)球體導(dǎo)熱模型可以判斷揮發(fā)過程中汽油液滴內(nèi)部溫度始終低于表面溫度，且液滴的半徑隨著揮發(fā)過程不斷減小直至汽油液滴表面溫度與當(dāng)前環(huán)境下飽和溫度一致．揮發(fā)初期，油料表面同時(shí)進(jìn)行著散熱與吸熱，其中吸熱占據(jù)主導(dǎo)地位，揮發(fā)過程處于瞬態(tài)加熱階段．隨著揮發(fā)繼續(xù)進(jìn)行，液面的表面溫度進(jìn)一步升高，揮發(fā)速度一直處于波動(dòng)狀態(tài)，整個(gè)過程都被相變控制，直到油料的吸放熱達(dá)到平衡狀態(tài)．但在以油庫(kù)、機(jī)庫(kù)等為背景的實(shí)際工況中，由于容積式受限空間通常具有較小的長(zhǎng)徑比和較大的體積，因此油料在少量泄漏后不易在該空間內(nèi)達(dá)到平衡，其輕質(zhì)成分能夠快速脫離液面，剩余的重質(zhì)成分則會(huì)以緩慢的速度脫離液面，直到揮發(fā)殆盡．

圖10 不同表面積下油料揮發(fā)速率對(duì)比曲線

2.2.2 不同揮發(fā)表面積對(duì)油料揮發(fā)速率的影響

在目前部分研究報(bào)告中的揮發(fā)速率計(jì)算公式通常會(huì)默認(rèn)油氣揮發(fā)速率與揮發(fā)表面積呈正比例線性關(guān)系[27]．為驗(yàn)證此觀點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用了不同開口內(nèi)徑表面積分別為90.59，201.06，278.77，397.61 cm2的4種容器，各加入100 mL油料，為加大揮發(fā)速率對(duì)比，利用水浴箱將環(huán)境溫度設(shè)為50 ℃，取前75 min油料平均揮發(fā)速率做曲線對(duì)比圖，如圖10所示．4種不同口徑容器在不同時(shí)間段的油料平均揮發(fā)速率雖然隨著口徑的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但并未呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的1∶2.22∶3.08∶4.39比例．具體采樣時(shí)間點(diǎn)的揮發(fā)速率比見表1．

表1 不同采樣時(shí)間4種容器平均揮發(fā)速率比

測(cè)量結(jié)果顯示，在環(huán)境因素如溫濕度、風(fēng)速氣壓等條件一致的情況下油料在揮發(fā)面積擴(kuò)大導(dǎo)致的平均揮發(fā)速率上升比例通常小于表面積的擴(kuò)大比例而不是單純地線性增加．對(duì)表格數(shù)據(jù)取平均值可求得揮發(fā)速率隨表面積變化的對(duì)數(shù)擬合式：

v=0.496 9ln(S)+0.969 9R2=0.975 3

(4)

汽油是一種成分復(fù)雜的混合物，油盤內(nèi)部油料的不同區(qū)域具體成分并不完全相同，而對(duì)于油盤內(nèi)局部區(qū)域來說，其對(duì)應(yīng)表面積越大，其上空的油蒸氣反而不容易被帶離油面區(qū)域，油面上空油蒸氣含量越多對(duì)油氣揮發(fā)反而有阻礙作用．同時(shí)實(shí)驗(yàn)保證了不同表面積但相同體積的油料蒸發(fā)，每種油料在其容器中對(duì)應(yīng)深度并不一樣，而油料深度則對(duì)油料內(nèi)部上下對(duì)流、油料內(nèi)部各部分溫差也有一定程度的影響，因此在上述多重原因的共同作用下導(dǎo)致了油氣揮發(fā)速率隨表面積增長(zhǎng)的特殊規(guī)律．

圖11 不同溫度下油料揮發(fā)速率曲線

2.2.3 不同溫度對(duì)油料揮發(fā)速率的影響

本次實(shí)驗(yàn)以室內(nèi)最低溫度(16 ℃)為基準(zhǔn)，分別測(cè)試了恒溫水浴箱溫度為16 ℃，26 ℃，36 ℃，46 ℃，56 ℃ 5種環(huán)境工況的揮發(fā)速率，取效率相對(duì)較高的前90 min作為參考時(shí)間，共記錄8次容器質(zhì)量變化并求導(dǎo)得到圖11．

由圖可見，不同溫度下油料的揮發(fā)速率同樣由于空氣湍流的作用呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，由各溫度工況擴(kuò)散速率均值可得二者擬合關(guān)系式如式(5)所示：

v=0.002T2+0.004 4T+2.731 2

R2=0.995 1

(5)

揮發(fā)速率v隨溫度T單調(diào)遞增，該式中T>0 ℃，其中v為揮發(fā)速率(g/h)，T為環(huán)境溫度(℃)．隨著環(huán)境溫度的上升，油池內(nèi)油料液滴的中心到液面上方溫度梯度增加，擴(kuò)散系數(shù)增大，導(dǎo)熱速率提升，液滴的預(yù)熱階段與平衡蒸發(fā)階段的時(shí)間變少，液滴表面發(fā)生遷移所需要的最低環(huán)境壓力也隨著環(huán)境溫度的升高而降低，假如環(huán)境壓力不變，液滴的遷移速度變快，液滴的壽命就越短．在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)不同溫度對(duì)應(yīng)曲線可以得出在相對(duì)低溫(約30 ℃以下)的工況下油料揮發(fā)速率的上升趨勢(shì)并不明顯，而超過40 ℃時(shí)部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)揮發(fā)速率漲幅開始變大，此時(shí)濃度更易達(dá)到室內(nèi)油氣爆炸極限范圍，因此儲(chǔ)油區(qū)域附近若存在因儀器工作產(chǎn)生區(qū)域高溫的情形需要特別注意，有必要定期檢測(cè)室內(nèi)空氣中的CH濃度．

3 油氣擴(kuò)散濃度分布監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

除了油氣的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和油料揮發(fā)速率外，油氣擴(kuò)散過程最重要的參數(shù)則是空間內(nèi)部不同區(qū)域油氣濃度隨時(shí)間變化關(guān)系，該參數(shù)能夠體現(xiàn)出油氣量在待測(cè)空間中的大小分布，便于人們對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分．圖12為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模擬臺(tái)架，主體尺寸為1 m×1 m×1 m的不銹鋼架，通過聚乙烯塑料薄膜全方位覆蓋，使其成為一個(gè)密閉空間，徹底排除環(huán)境風(fēng)速的影響．考慮到實(shí)際工程中的受限儲(chǔ)油空間結(jié)構(gòu)形態(tài)各異，本文將實(shí)驗(yàn)臺(tái)架簡(jiǎn)化為1個(gè)單位體積的標(biāo)準(zhǔn)工況，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可作為不同尺寸、比例容積式受限空間內(nèi)的油氣擴(kuò)散濃度分布特征的參考依據(jù)．空間內(nèi)的油氣濃度采集采用CH氣體分析儀多點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量，如圖13、圖14所示，與以往紅外分析儀相比，能夠避免由于抽排氣過程對(duì)空間內(nèi)部油氣擴(kuò)散造成擾動(dòng)而誤判其規(guī)律，油氣中的CH成分在接觸分析儀時(shí)會(huì)根據(jù)近區(qū)域CH鍵濃度直接生成讀數(shù)并記錄，跟紅外分析儀通過細(xì)長(zhǎng)管道抽氣行為相比能夠更好地解決采集地延遲問題．同時(shí)分析儀可以布置在空間內(nèi)多個(gè)特定位置，比單點(diǎn)測(cè)量更易于總結(jié)油氣在容積式空間內(nèi)自然揮發(fā)擴(kuò)散的機(jī)理．分析儀為串聯(lián)形式，兩個(gè)頂端分別連接溫濕度計(jì)以及個(gè)人電腦，可通過油氣濃度在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)將指定時(shí)間段內(nèi)各分析儀的讀數(shù)及曲線進(jìn)行處理．

圖12 油氣濃度空間分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)布置方案

圖13 CH氣體分析儀

圖14 油氣濃度監(jiān)測(cè)界面

在無障礙物工況下僅將分析儀布置在臺(tái)架邊框位置，以防臺(tái)架內(nèi)部懸空物件對(duì)氣流造成擾動(dòng)．其中3，4，6，7號(hào)分析儀的布置方案主要目的是測(cè)量空間內(nèi)部揮發(fā)油氣在邊角區(qū)域內(nèi)濃度隨水平高度的變化情況．1，5號(hào)和2，8號(hào)分析儀的布置方案主要目的是測(cè)量油氣在水平方向上的擴(kuò)散程度以及在近地面與頂面兩個(gè)不同平面上的濃度分布關(guān)系．同時(shí)由于油氣的物化性質(zhì)導(dǎo)致了本實(shí)驗(yàn)具備一定的隨機(jī)性，分析儀的布置方案不能完全兼顧到空間內(nèi)部的全部角落，因此將對(duì)本實(shí)驗(yàn)的所有結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，挑選出具有代表性的油氣傳播方向進(jìn)行分析．本實(shí)驗(yàn)將油料泄漏位置區(qū)分為地面泄漏和高位泄漏兩類，其中地面泄漏模擬主要針對(duì)因盛油容器的破裂導(dǎo)致油料泄漏并于地面形成殘油區(qū)域；高位泄漏模擬主要針對(duì)在空間內(nèi)部若存在設(shè)施設(shè)備，則可能由于位于高處的管道破裂導(dǎo)致殘油聚集于個(gè)別設(shè)施頂端，經(jīng)揮發(fā)形成的油氣受重力與空氣浮力、擾動(dòng)等多重因素從上往下進(jìn)行傳播．近地油料泄漏源位置設(shè)定為(0.5，0.5，0)處，位于空間地面正中心，泄漏源由表面積為230.89 cm2的小型油池代替，測(cè)量時(shí)間取擴(kuò)散后3 h．

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 水平距離對(duì)油氣濃度分布的影響

采用1號(hào)(0.5，0.5，1)、5號(hào)分析儀(1，0.5，1)與2號(hào)(0.75，0.5，0)、8號(hào)分析儀(1，0.5，0)的典型濃度曲線作為對(duì)比樣例．由圖15可見，在z=0處的2號(hào)和8號(hào)兩個(gè)分析儀均在擴(kuò)散起始階段形成了油氣高濃度波峰(分別為0.61%與0.12%)，并在接近0.5 h左右時(shí)降低并趨于平緩，而當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間超過1.5 h時(shí)油氣會(huì)重新聚集在該區(qū)域并形成第二道波峰(分別為0.32%與0.05%)，數(shù)值約為第一道波峰的1/2．2號(hào)分析儀由于更接近泄漏位置，不管是CH響應(yīng)時(shí)間還是區(qū)域濃度均高于8號(hào)分析儀．由于分析儀本身具備一定的體積，因此沿地面擴(kuò)散的油氣首先接觸到2號(hào)分析儀，氣流在經(jīng)過分析儀后進(jìn)一步向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致位于2號(hào)分析儀正后方的8號(hào)分析儀響應(yīng)時(shí)間略慢且區(qū)域濃度相對(duì)偏低．

由圖16可見，布置于區(qū)域頂端平面(z=1)處的兩個(gè)分析儀由于高度原因，其濃度曲線從擴(kuò)散開始階段一直保持低濃度小幅度波動(dòng)，整體處于平穩(wěn)狀態(tài)，擴(kuò)散時(shí)間在1.5 h附近處開始檢測(cè)到聚集的CH氣體成分并聚集形成峰值(分別為0.15%和0.12%)．1號(hào)分析儀因布置在油料揮發(fā)處正上方，因此響應(yīng)速度更快．油氣垂直上升到空間頂部后受到壁面限制開始向四周擴(kuò)散，5號(hào)分析儀區(qū)域濃度峰值略低于1號(hào)分析儀，擴(kuò)散時(shí)間超過2 h后兩區(qū)域附近油氣濃度開始呈下降趨勢(shì)．

圖15 2號(hào)、8號(hào)分析儀檢測(cè)CH濃度曲線

圖16 1號(hào)、5號(hào)分析儀檢測(cè)CH濃度曲線

根據(jù)二者曲線對(duì)比分析可得，在近地面處的油氣濃度變化與空間頂部濃度變化最明顯的差異就是擴(kuò)散初期短時(shí)間內(nèi)便形成了高濃度峰值，造成該現(xiàn)象的主要原因是汽油蒸氣的物理性質(zhì)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50493-2009附錄A，汽油蒸氣密度為4.14 kg/m3，與空氣相對(duì)密度比為3.21，因此油料在容積式空間內(nèi)部聚集揮發(fā)后除了少量油氣順著上升氣流往空間高處擴(kuò)散外，其余部分在重力影響下均在近地面處進(jìn)行傳播．而從圖16時(shí)間軸可以判斷出油氣在空間內(nèi)部呈現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，擴(kuò)散初期便檢測(cè)到了少量CH成分，而擴(kuò)散后期依舊能夠形成更大的濃度峰值，因此油氣擴(kuò)散規(guī)律并非呈線性重力沉降效應(yīng)，在低水平區(qū)域的氣體依舊可以通過氣流的運(yùn)動(dòng)從而在特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生回升，而隨著空間內(nèi)部高度的增加，各點(diǎn)濃度差異減小，整體曲線分布近似．

圖17 3，4，6，7號(hào)分析儀檢測(cè)CH濃度曲線

3.2.2 垂直距離對(duì)油氣濃度分布的影響

分別采用4號(hào)(1，0，1)、3號(hào)(1，0，0.66)、6號(hào)(1，0，0.33)、7號(hào)(1，0，0)分析儀作為對(duì)比樣例．由圖17可見，位于近地面的7號(hào)分析儀在擴(kuò)散初期形成了類似2，8號(hào)分析儀的濃度峰值(0.14%)，擴(kuò)散時(shí)間接近1.4 h后形成第二道波峰(0.05%)并持續(xù)了約1 h．結(jié)合之前的結(jié)論可以判定當(dāng)油料于地面泄漏并聚集揮發(fā)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)在整個(gè)近地面層附近形成高濃度峰值，但也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)向四周擴(kuò)散，其中部分油氣會(huì)在上升氣流的作用下克服重力向上方傳播．由位于7號(hào)分析儀正上方的3，4，6號(hào)分析儀的濃度曲線分析可得，3個(gè)區(qū)域的油氣濃度在擴(kuò)散時(shí)間達(dá)到1.5 h之前均呈現(xiàn)低濃度小幅波動(dòng)狀態(tài)，隨后開始檢測(cè)到CH氣流，擴(kuò)散時(shí)間超過2 h 18 min后濃度開始下降．位于臺(tái)架中端的3號(hào)分析儀附近區(qū)域濃度略高于6號(hào)分析儀，而4號(hào)分析儀由于位于臺(tái)架頂角，受限面數(shù)高于3，6號(hào)分析儀，因此更易形成油氣的聚集，在響應(yīng)速度與峰值大小上都高于前二者．

3.2.3 不同平面之間油氣濃度分布規(guī)律

雖然使用對(duì)應(yīng)儀器能夠檢測(cè)到指定時(shí)間內(nèi)油氣擴(kuò)散蔓延濃度變化規(guī)律，但擴(kuò)散現(xiàn)象由于是CH氣體分子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的質(zhì)量遷移現(xiàn)象，同時(shí)由于頻繁且具備一定的混亂和無序性的分子間碰撞導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向時(shí)刻都在改變，從液面揮發(fā)出去的汽油蒸氣云團(tuán)并不會(huì)均勻地向四周蔓延，而是具備一個(gè)相對(duì)明顯并帶有一定隨機(jī)性的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)[28]．本實(shí)驗(yàn)經(jīng)多組數(shù)據(jù)對(duì)比分析，將近地面濃度隨時(shí)間分布典型曲線主要總結(jié)為兩種類型(部分曲線為便于觀測(cè)其規(guī)律取擴(kuò)散后6 h濃度分布)：

1) 初期急速上升→急速下降→二次波峰(較小)→緩慢下降，如圖18(a)所示，多次出現(xiàn)；

2) 初期急速上升→急速下降→小幅度波動(dòng)整體趨于平穩(wěn)，如圖18(b)所示，少量出現(xiàn)．

由圖18可見，二者形成第一個(gè)波峰所需時(shí)間基本一致，但具有二次波峰的曲線所達(dá)到的峰值低于無二次波峰的曲線，二者所對(duì)應(yīng)z=1平面上的典型油氣濃度變化曲線同樣分為兩種類型：

1) 初期小幅度波動(dòng)整體平緩→形成峰值→下降并趨于平穩(wěn)，如圖19(a)所示，多次出現(xiàn)；

2) 初期形成峰值→持續(xù)一段時(shí)間→下降并趨于平穩(wěn)，如圖19(b)所示，少量出現(xiàn)．

圖18 近地面處(0.75，0.5，0)典型油氣濃度分布曲線

圖19 z=1平面(1，0，1)典型油氣濃度分布曲線

由圖可見，z=1平面上的兩種典型曲線濃度峰值相差不大，但當(dāng)近地面濃度初期較低并形成二次波峰的情況下，其對(duì)應(yīng)高處平面在泄漏時(shí)間2 h附近才達(dá)到濃度峰值，且峰值持續(xù)時(shí)間較短；近地面濃度初期較高并未形成二次波峰的情況下，在泄漏時(shí)間約30 min后便形成濃度峰值，且峰值持續(xù)時(shí)間一直到5 h后才逐漸下降，該現(xiàn)象主要由揮發(fā)的蒸氣云團(tuán)不同的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡所導(dǎo)致[29]．油氣擴(kuò)散初期受到了容器壁面限制主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榇怪毕蛏?，越過壁面后受到氣流、重力等復(fù)雜因素的影響開始向四周擴(kuò)散，由于擴(kuò)散的隨機(jī)性導(dǎo)致空間內(nèi)不同高度上同一平面濃度分布不同，而分析儀的布置存在一定的局限性，不能保證每次全方位對(duì)濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)多次測(cè)量結(jié)果對(duì)比可推斷上述典型曲線為理論上互補(bǔ)狀態(tài)，空間內(nèi)部近地面處圖17與圖18的分布規(guī)律在不同位置處同時(shí)且多處存在，并且圖17的雙峰現(xiàn)象出現(xiàn)區(qū)域相對(duì)更廣，z=1平面同理．

3.2.4 泄漏源高度變化對(duì)油氣濃度分布規(guī)律的影響

實(shí)際工程當(dāng)中油料若發(fā)生泄漏，可能因?yàn)榭臻g內(nèi)設(shè)施擺放等多種原因，油料泄漏位置可能位于空間中上部，本次實(shí)驗(yàn)將泄漏源高度提升至0.6 m后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間取擴(kuò)散后6 h．

由圖20可見，2號(hào)分析儀的響應(yīng)速度和峰值都明顯高于1號(hào)分析儀，由于2號(hào)分析儀位于地面且距離泄漏源約0.65 m，大于1號(hào)分析儀的0.4 m，可以推斷出對(duì)油氣擴(kuò)散初期造成主要影響的因素為重力作用，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的CH成分有一大部分均沉降至地面并開始向四周擴(kuò)散．與地面泄漏源工況相比，近地面區(qū)域同樣在短時(shí)間內(nèi)就迅速形成了峰值，但是泄漏源高度的增加導(dǎo)致了近地面濃度下降速度變緩，而位于z=1平面區(qū)域油氣上升速率比地面泄漏源同樣更加平緩(從開始上升至峰值耗時(shí)約2 h)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泄漏源在0.6 m高處時(shí)近地面處油氣濃度均未出現(xiàn)過二次波峰特征，可見泄漏源的高度對(duì)于不同區(qū)域油氣整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一定的影響．

由圖21可見，泄漏源上升到0.6 m高度時(shí)，位于近地面區(qū)域的7號(hào)分析儀與2號(hào)分析儀一樣未呈現(xiàn)二次波峰特征，而3，4，6號(hào)分析儀與近地面泄漏源工況相比峰值大小相近，但響應(yīng)速度增加，下降速度變緩．以濃度曲線變化較為明顯的4號(hào)分析儀作為參照，近地面泄漏源工況下，油氣在泄漏初期沿著近地面向四周傳播，約30 min后抵達(dá)空間邊角區(qū)域，此時(shí)該區(qū)域的油氣蒸氣云團(tuán)隨著氣流運(yùn)動(dòng)軌跡在約2 h時(shí)聚集形成了邊角區(qū)峰值．2.5 h后大部分油氣隨著濃度耗散至空間內(nèi)其他低濃度區(qū)域，且聚集速度與耗散速度幾乎相等；高位泄漏源工況下，油氣擴(kuò)散初期主要運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為正下方與斜下方，在擴(kuò)散開始后約8 min便抵達(dá)空間邊角處受到側(cè)壁面限制開始聚集，約1 h達(dá)到峰值．濃度曲線顯示，高位擴(kuò)散源工況邊角區(qū)域的濃度耗散速度明顯小于濃度聚集速度，可見該工況下油氣蒸氣云團(tuán)運(yùn)動(dòng)更趨于相對(duì)平穩(wěn)，在CH成分耗散的過程中同時(shí)有不斷的油氣補(bǔ)充直至揮發(fā)速率隨著時(shí)間減緩而減緩．由此可見，油氣蒸氣云團(tuán)在地面泄漏源工況與高位泄漏源工況有不一樣的運(yùn)動(dòng)方式，該現(xiàn)象表明實(shí)際工程中容積式受限空間在不同泄漏工況下的危險(xiǎn)濃度檢測(cè)思路和手段也不盡相同．

圖20 泄漏源位置為(0.5，0.5，0.6)時(shí)1，2號(hào)分析儀油氣濃度曲線

圖21 泄漏源位置為(0.5，0.5，0.6)時(shí)4，3，6，7號(hào)分析儀油氣濃度曲線

4 結(jié)論

1) 油氣從液面揮發(fā)至空氣中時(shí)主要朝著斜下方擴(kuò)散，同時(shí)隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加，運(yùn)動(dòng)模式逐漸從層流向湍流轉(zhuǎn)捩并維持在湍流狀態(tài)，擴(kuò)散現(xiàn)象還具備一定的隨機(jī)性和非對(duì)稱性，若空間內(nèi)部存在氣體流動(dòng)則可能完全改變油蒸氣云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使之克服重力作用向液面上方運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)速度以及湍流度都得到加強(qiáng)，會(huì)大大促進(jìn)擴(kuò)散蔓延的進(jìn)程．

2) 油料在自然揮發(fā)狀態(tài)下?lián)]發(fā)速率主要分為兩個(gè)階段，分別為前1/7時(shí)間的高速揮發(fā)階段以及后6/7時(shí)間的緩慢揮發(fā)階段，該現(xiàn)象主要由汽油復(fù)雜的成分組成以及物理性質(zhì)所決定．

3) 隨著表面積的增加，油氣揮發(fā)速率成正比例非線性增加．揮發(fā)表面作為烴類分子氣化的必經(jīng)通道，面積越大導(dǎo)致?lián)]發(fā)量越大，但在實(shí)際油料泄漏揮發(fā)過程中局部區(qū)域上方的油氣不易被帶離表面區(qū)域，且油池表面上空油氣濃度越高，對(duì)油氣揮發(fā)的阻礙越大，因此在擬定綜合揮發(fā)速率計(jì)算公式時(shí)，不宜將揮發(fā)面積作為線性參數(shù)直接與其他參數(shù)相乘．

4) 油氣揮發(fā)速率隨溫度增加而增加，但也具備獨(dú)特的規(guī)律，30 ℃以下油氣揮發(fā)速率隨溫度上升幅度并不明顯，而溫度超過40 ℃時(shí)揮發(fā)速率增加速度明顯加快，該工況下的空間內(nèi)部更易達(dá)到爆炸極限濃度．

5) 油氣在泄漏初期主要受重力作用，泄漏源位于地面處時(shí)油氣在從液面中揮發(fā)出去后主要沿地面?zhèn)鞑?，在短時(shí)間內(nèi)易在地面處聚集并形成濃度峰值而迅速耗散，且整個(gè)空間內(nèi)部地面大范圍區(qū)域會(huì)在擴(kuò)散中期形成第二個(gè)濃度峰值．泄漏源位于地面處時(shí)的高位油氣濃度分布同樣具備其獨(dú)特性質(zhì)，在泄漏初期有少量油氣隨著上升氣流作用達(dá)到空間頂部并開始向四周擴(kuò)散，其中大范圍區(qū)域濃度擴(kuò)散前期保持小幅度波動(dòng)，整體趨勢(shì)平穩(wěn)，擴(kuò)散中期油氣會(huì)聚集形成峰值(平均濃度小于近地面區(qū)域)．小范圍區(qū)域的油氣濃度初期漲幅略快于其他區(qū)域，且該濃度一直到擴(kuò)散后期逐漸消散．不同平面對(duì)應(yīng)的不同區(qū)域特征均與油氣擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)，該軌跡受擴(kuò)散不穩(wěn)定性的影響，具備一定的隨機(jī)性．

6) 高位泄漏源工況下近地面油氣濃度分布依舊能在短時(shí)間內(nèi)形成峰值，但擴(kuò)散中后期地面區(qū)域并未形成二次或多次波峰；高位區(qū)域濃度由于更接近泄漏源因此響應(yīng)速度大于地面泄漏源工況．濃度形成峰值后的下降速率更為平緩，且從位于空間邊角處的4，3，6，7號(hào)分析儀的濃度曲線可以推測(cè)出泄漏源位置的升高對(duì)整個(gè)空間內(nèi)部的油氣蒸氣云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方式有明顯的影響．