隧道内甲醇液体蒸发及蒸气扩散规律数值模拟分

数字出版日期： 2017-12-19

0 引言

社会的进步对危化品的分配提出了更高的要求，但复杂的运输条件给危化品的分配也带来一定程度的不安全，比如易燃液体泄漏事故，不仅有易燃液体的泄漏，还存在其蒸气的扩散。

国内外学者针对危化品的泄漏蒸发及蒸气扩散进行了大量研究，较为著名的实验研究包括由美国能源部组织的历时6年的Burro实验、由英国HSE组织的Thorney Island实验、Shell泄放实验等[1-3]；Hansen、Sun等人结合Burro实验对危化品的泄漏扩散进行了持续研究[4-5]；Giannissi等人采用CFD和实验的方法研究了LNG泄漏扩散，结果表明CFD软件对泄漏扩散的模拟与实验结果较为符合[6]；He等人对受限空间内的蒸汽云的形成进行了研究，并提出了液气转化模型[7]；Jang等人采用CFD方法从蒸气扩散和温度变化2个方面对LNG罐体事故性泄漏进行了研究，得到了较为有价值的研究成果[8]。在国内，刘国梁等人采用模拟实验的方法研究了障碍物对有毒有害气体扩散分布规律的影响[9]；王文和、张江华、孙莉等人从多方面系统分析了国内外危险化学品泄漏扩散方面的研究，并提出了现存的问题进一步研究的框架[10-12]；姚志强、翟美玉、郑茂辉等人考虑障碍物、风速、泄露口形状等因素，对危化品泄露扩散的影响进行了数值模拟研究[13-15]；周宁等人应用实验的方法，以CO2作为研究对象，研究了气体扩散的影响因素[16]。

以上学者对危化品在开放空间的泄漏扩散研究较为深入，但对于运输过程中的隧道内易燃液体泄漏后蒸发及蒸气扩散的研究鲜有涉及，隧道的半封闭狭长空间结构对易燃液体蒸气的扩散极为不利，因此有必要对隧道内易燃液体泄漏后蒸气的扩散规律进行研究，为该类事故的处置提供一定的理论指导。

1 模型建立

1.1 隧道模型

运用FLUENT软件进行计算，采用三维模型，长、宽、高分别为30，8，6.65 m，泄漏车辆位于隧道中央，车辆尺寸为8.5 m(长)×2.5 m(高)×3 m(宽)，车辆底部高度为0.5 m，易燃液体浅液池位于车辆后侧，为简化计算，考虑浅液池呈圆形，直径为3 m，结构化网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m。对隧道内的蒸气浓度进行监测，水平方向上监测线标记为A～G层，其中A～D每层3处，垂直方向上共4处，位于隧道纵向中面上，以车辆为中心对称布置，分别为两侧隧道口和车辆前、后方，记为I，K，L，N，其中监测位置L位于浅液池中心处，具体布置如图1所示。

图1 计算模型及监测位置示意Fig. 1 Layout diagram of model and vapor monitoring location

1.2 工况设置及边界条件

工况设置为无风条件下易燃液体自然蒸发及其蒸气的扩散。易燃液体采用甲醇，隧道两侧洞口为压力出口，环境温度为25 ℃，浅液池液面与空气对流换热为8 W/(m2·K)，液体与地面对流换热为10 W/(m2·K)。

James G. Quintiere等认为液池较深时把液体的蒸发过程看作低质量一维稳态流，质量蒸发速率为[17]：

式中：mg为液体蒸发质量流量，g/(m2·s)；Tb为初始温度，K；Ts为蒸发温度，K；h为液体与空气对流换热系数，W/(m2·K)；hfg为气化热，J/g。

而在实际中，在平整的地面上泄漏液体流淌形成的液池较浅(此时Tb= Ts)，James G. Quintiere等学者引入液体与地面的对流换热系数hL[17]，则有：

式中：T∞为环境温度，K；TD为地面温度，K。

因此，(1)式和(2)式联立可得关于Ts的表达式：

式(3)即为地面浅液池表面温度计算式，根据上述边界条件，通过MATLAB计算可得到Ts=271.8 K，结合式(1)即可得到该条件下浅液池质量蒸发速率为0.431 3 g/(m2·s)。

2 计算结果分析

2.1 蒸气分布分层基本规律

图2和图3分别为隧道内甲醇蒸气质量浓度达到1%和6.5%的等值面图(甲醇蒸气爆炸下限体积分数为6%，转化为质量分数为6.5%。从图2可以看出，60 s时刻时，蒸气扩散至隧道顶部，在100 s时刻时，蒸气扩散至右侧隧道口附近；由于液池左侧有障碍车辆的阻挡，隧道左侧的蒸气分布区域明显小于右侧，且分布高度也略低于右侧。由图3可以看出，甲醇蒸气浓度达到爆炸极限的分布层高度较低，在40～60 s时间段内车辆底部蒸气分布区域较大，说明车辆底部更为狭小的空间产生了蒸气积聚现象，100 s时显示蒸气分布向隧道口移动，120 s时刻，隧道口附近部分区域蒸气浓度也达到了爆炸极限，说明蒸气不只存在于液池附近位置，隧道内甲醇蒸气分布不稳定，且扩散范围较广。

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