有障礙物空間可燃氣體擴散規律的數值模擬

薛海強 張增剛 田貫三 王國磊

山東建筑大學熱能工程學院

有障礙物空間可燃氣體擴散規律的數值模擬

薛海強 張增剛 田貫三 王國磊

山東建筑大學熱能工程學院

薛海強等.有障礙物空間可燃氣體擴散規律的數值模擬.天然氣工業,2010,30(5):119-122.

有限空間內可燃氣體泄漏擴散容易引發危險事故,而對于有限空間障礙物存在時氣體泄漏擴散規律的研究較少。為此,針對有限空間障礙物對可燃氣體泄漏擴散的影響,采用雷諾平均的N-S方程,湍流模型以及無反應多組分輸運方程,對障礙物影響下可燃氣體泄漏擴散進行了數值模擬,并進一步分析了泄漏位置和障礙物高度對可燃氣體泄漏擴散的影響。結果表明:障礙物對可燃氣體擴散過程有阻礙作用;障礙物影響下不同位置泄漏擴散形成的濃度場不同,泄漏口與出口異側,距離障礙物越近,房間內形成的爆炸區域越大;障礙物高度越高,有限空間內形成的爆炸區域越大,增大了危險事故發生的可能性。該模擬結果有助于室內燃氣管道安全設計,可為制訂室內可燃氣體爆炸事故的預防措施提供參考。

有限空間 可燃氣體 泄漏擴散 障礙物 數值模擬 泄漏位置 濃度場 爆炸區域

由于可燃氣體泄漏擴散引起的爆炸事故時常發生,造成極大的財產損失和人員傷亡,國內外學者對可燃氣體泄漏擴散進行了研究,通過開展風洞試驗和數值模擬建立了一系列的泄漏擴散模型,得到了各種影響因素下的泄漏擴散規律[1-3]。在障礙物對可燃氣體泄漏擴散影響的研究方面,主要集中于大氣環境下障礙物對泄漏擴散過程的影響[4-5],對于有限空間障礙物存在時氣體泄漏擴散規律的研究較少,而很多爆炸事故都是在有限空間發生的。針對以上情況,本文對障礙物影響下室內可燃氣體的泄漏擴散進行數值模擬,模擬結果有助于室內燃氣管道安全設計及預防室內可燃氣體爆炸事故的發生。

1 模型的建立

1.1 數學模型

筆者研究的是室內有限空間內發生的泄漏,泄漏過程假定為連續泄漏,同時認為其泄漏量為定值。室內可燃氣體泄漏擴散可認為是多組分氣體相互作用的湍流,泄漏氣體與空氣形成爆炸性混合物,混合氣體各組分之間不發生化學反應,因此采用k—ε湍流模型和無反應多組分輸運方程來模擬室內氣體湍流泄漏擴散過程,控制方程如下:

連續性方程:

動量方程:

能量方程:

紊動能(k)方程:

耗散率ε方程:

組分輸運方程:

式中:ci為各組分質量濃度;Ri為化學反應的凈產生速率,由于各組分不發生化學反應,故此項為0;Si為用戶定義而產生物種的速率;為i物種的質量擴散速率,,其中Di,m為組分i在混合物的質量擴散系數,Sct為湍流施密特數。

1.2 物理模型

圖1 數值計算物理模型圖

數值模擬物理模型見圖1,尺寸為1.1×1.3×2.2m。障礙物位于房間中央,假設其尺寸為0.3×0.4×0.5m,風口大小為0.4×0.6m,廚房門高1.5m,考慮廚房門開啟一半的情況,寬度取0.3m。泄漏口直徑取10mm,A～E均代表泄漏口,其中心坐標為(0,0.65,0.5)、(0,0.65,0.25)、(0,0.45,0.5)、(0,0.25,0.25)、(1.1,0.65,0.5)。家用燃氣灶具的額定工作壓力為2000Pa,其泄漏源強度[6]為0.00716kg/s,室外風均勻進入室內,速度大小按1m/s計算。

2 數值模擬與分析

筆者在數值計算時,選取液化石油氣作為研究氣體。由于液化石油氣主要成分為C3H8和C4H10,以C3H8和C4H10代替液化石油氣進行模擬計算,其爆炸濃度范圍為0.0322～0.14(質量分數),模擬區域各點氣體濃度處于爆炸濃度范圍時形成爆炸區域。可燃氣體擴散形成的爆炸區域與泄漏口徑和泄漏壓力有關,不同泄漏口徑和泄漏壓力下相同時間形成的爆炸區域不同,本文僅以300s為例進行分析。

可燃氣體泄漏擴散一定時間后模擬區域內各點濃度互不相同,本文對垂直方向上距地面0.1m的平面(z=0.1m)爆炸區域進行對比分析。圖2、3是泄漏口位于A處泄漏擴散300s后,有、無障礙物時平面z =0.1m的氣體爆炸區域。可以看出無障礙物時,泄漏氣體在重力作用和外界風速作用下向下運動,在房間局部堆積,形成的爆炸區域較小。而在障礙物存在的情況下,平面z=0.1m的氣體爆炸區域比無障礙物時形成的爆炸區域要大,這是由于泄漏出來的液化石油氣在初始動量的作用下形成噴射過程,同時由于液化石油氣比空氣重,擴散過程中受重力作用向下運動,逐漸偏離射流中心。當遇到障礙物時由于其阻礙作用,部分氣體會在障礙物附近堆積,隨著時間的增加,泄漏氣體逐漸增多并沿地面擴散,導致障礙物附近氣體濃度大,周圍氣體濃度小,加大了該區域發生危險事故的可能性。

圖2 A點無障礙物時t=300s平面z=0.1m的爆炸濃度區域圖

圖3 A點有障礙物時t=300s平面z=0.1m的爆炸濃度區域圖

圖4 E點泄漏t=300s平面z=0.1m的爆炸濃度區域圖

圖4為泄漏擴散300s后,泄漏口位于 E處存在障礙物時,平面 z=0.1m形成的爆炸區域。通過與圖3對比可知,在障礙物存在的情況下,泄漏口位于A、E時,可燃氣體在障礙物周圍都發生了聚集,但泄漏口位于E處形成的爆炸區域要比泄漏口位于A處形成的爆炸區域小,這是由于 E點與廚房門同側,距離房間出口較近,泄漏氣體在擴散過程中很快到達房間出口,在外界風速的作用下能夠及時地排放出去。這說明泄漏高度相同且有障礙物影響下,不同泄漏位置形成的爆炸區域不同,泄漏口與廚房門同側時形成的爆炸區域較小,與廚房門異側時形成的爆炸區域較大。

泄漏口位于B、C、D,泄漏擴散300s后,x方向各平面爆炸區域見圖5。可以看出B點泄漏時障礙物前側形成的爆炸區域較大;而D點泄漏時障礙物后側形成的爆炸區域較大。這是由于B點距離障礙物較近,位置較低,泄漏氣體受障礙物的阻礙作用較大,容易使泄漏氣體在障礙物附近聚集,而D點距離房間墻壁較近,受障礙物影響較小,大部分泄漏氣體會沿著房間內壁進行擴散運動,由于外界風速的影響,導致障礙物后側氣體濃度較大。這說明泄漏口距離障礙物較遠時,受障礙物的影響較小;而泄漏口距離障礙物較近時,泄漏氣體容易在障礙物附近形成堆積,增大發生危險事故的可能性。

圖5 B、C、D點泄漏x方向各平面爆炸區域面積圖

障礙物高度對可燃氣體擴散過程有重要影響[4],固定障礙物的長度和寬度,改變障礙物的高度得到不同高度下平面z=0.1m爆炸區域隨時間的變化曲線(如圖6所示)。可以看出,在各個時間障礙物高度為0.5m時形成的爆炸區域比高度為0.4m和0.25m時對應的爆炸區域都大,短時間內即可形成較大的爆炸區域。這說明障礙物高度越高,泄漏的可燃氣體越易堆積,發生危險事故的概率越高。雖然不同的障礙物高度得到的爆炸區域不同,但平面 z=0.1m爆炸區域隨著時間的增加都是先增大再減小再增大。

圖6 不同障礙物高度下爆炸區域隨時間的變化曲線圖

3 結論

1)有限空間障礙物存在時,重質可燃氣體易在障礙物附近堆積,障礙物對可燃氣體泄漏擴散有阻礙作用,增大爆炸事故發生的可能性。重質可燃氣體在無障礙物空間泄漏擴散時,距泄漏口越遠的截面上形成的爆炸區域越大,易在房間墻角處形成堆積,應防止局部爆炸的發生。

2)有障礙物空間不同位置泄漏擴散形成的爆炸區域不同,泄漏口與廚房門異側形成的爆炸區域比同側形成的爆炸區域要大;而當泄漏口與廚房門異側時,泄漏位置越低,距離障礙物越近,房間內形成的爆炸區域越大。

3)有限空間內障礙物高度對可燃氣體擴散過程有重要影響,障礙物越高,形成的爆炸區域越大,可燃氣體越易堆積,越易發生危險事故。

[1]李又綠,姚安林,李永杰.天然氣管道泄漏擴散模型研究[J].天然氣工業,2004,24(8):102-104.

[2]張文艷,姚安林,李又綠,等.風力對天然氣管道泄漏后擴散過程的影響研究[J].天然氣工業,2006,26(12):150-152.

[3]楊昭,賴建波,韓金麗.天然氣管道氣體泄漏擴散過程研究[J].天然氣工業,2007,27(7):97-99.

[4]劉延雷,鄭津洋,趙永志,等.障礙物對管道天然氣泄漏擴散影響的數值模擬[J].石油化工高等學校學報,2007,20(4):81-84.

[5]孟志鵬,王淑蘭,丁信偉.障礙物附近可燃性氣體泄漏擴散的三維數值模擬[J].化工裝備技術,2007,28(2):74-78.

[6]DONG YU HUA,GAO HUILIN,ZHOU J ING,et al. Mathematical modeling of gas release through holes in pipelines[J].Chemical Engineering Journal,2003,92(1/3):237-241.

(修改回稿日期 2010-03-30 編輯 趙 勤)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE5,pp.123-128,5/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

A double-edged sword of the discarded edible oils:H armful pollutants or resources utilization

Yao Zhilong,Min Enze(Academician of Chinese Academy of Engineering and Sciences)
(Beijing Institute ofPetrochemical Technology,Beijing102617,China)

The discarded edible oils refer to the waste oils and fats without any edible values,including slop oil from restaurants(the so-called hogwash oil,waste restaurant grease,or swill),soapstock,and oily water,etc.Those waste oils contain a great volume of carbon-containing organic matters such as fatty acids,resulting in their dual characters:becoming pollutants to environment or being recycled to be used as chemical materials.The waste oils can be recycled as an alternative oil resource for the important materials of biodiesel,surfactant,fine chemicals and bulk chemicals.On the contrary,those waste oils,if not being carefully dealt with,will become harmful to environment and human beings.Therefore,this paper introduces how harmful the waste oils are and how to recycle those waste oils for chemical production of non-phosphate laundry powder,biodemulsifier,fatty acids,and fatty acid methyl ester (biodiesel).

the discarded edible oils,hogwash oil,harm,resource utilization,non-phosphate laundry powder,biodemulsifier,fatty acid,biodiesel

book=5,ebook=571

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.031

國家自然科學基金“室內燃氣泄漏形成可燃濃度場變化規律的研究”(編號:50878122)的部分成果。

薛海強,1984年生,碩士研究生;從事燃氣輸配及應用的研究工作。地址:(250101)山東省濟南市臨港開發區鳳鳴路山東建筑大學熱能工程學院。電話:(0531)86367331,13606374938。E-mail:xuehaiqiang2009@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.032

Yao Zhilong,researcher,was born in1971.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in biobased-chemical utilization technology and petrochemical research and development.

Add:No.19,North Qingyuan Rd.,Daxing District,Huangcun,Beijing102617,P.R.China