漁船密閉艙室內氨氣泄漏數值模擬

周建瑜，范益東，謝永和

(1浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022；2舟山技師學院，浙江 舟山 316022)

冷藏加工船、捕撈船和水產運銷船等現代漁船大多使用氨制冷系統，內有單獨的冷藏間與凍結間[1]。近些年漁船氨氣泄漏事故頻發，給漁區作業人員的人身安全造成了巨大威脅[2]。一些學者根據幾個經典數值模型對氣體泄漏擴散進行了計算研究[3-6]。最近幾年，運用CFD方法研究氣體擴散受到越來越多人的關注。張俊飛等[7-8]使用Fluent軟件研究氨氣在不同風向、不同風速以及障礙物下的質量濃度分布。沈艷濤等[9]利用CFD進行了有毒有害氣體泄漏擴散模擬研究。關忠慧[10]研究液氨站房的通風安全問題，建立了氨氣泄漏數值模型，準確劃分了氨氣擴散的死亡半徑。還有一些研究人員在實驗室進行了危險氣體泄漏擴散試驗[11-17]。以上研究未考慮封閉空間內氨氣泄漏的模擬，沒有涉及泄漏方向的影響，對氣體探測器安裝位置的選取也很少提及。

基于Fluent軟件對密閉艙室氨氣泄漏過程進行了數值模擬，研究氨氣在不同泄漏方向和不同泄漏位置下的質量濃度分布，其結果可以為氨氣泄漏探測裝置的安裝提供理論依據。

1 氨氣泄漏的數學模型

1.1 數值模擬簡化

在進行氨氣泄漏擴散過程的數值模擬前，需要進行一些簡化與假設[18]：1) 假設氨氣和空氣在模擬過程中為理想氣體；2) 把空氣質點的平均運動看作是不可壓縮流體的運動；3) 氨氣擴散過程中無相變與化學反應；4) 假定泄漏過程中溫度不變，不考慮氨氣與艙內氣體的溫度差異及與外界的熱量交換；5) 忽略重力的影響。

1.2 數學模型相關公式

質量守恒方程[19]：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；uj為三個方向上的速度分量(u、v、w)，m/s；Sm為質量源項，kg/(m3·s)。

能量守恒方程：

(2)

式中：ρ為密度，kg/m3；T為內能，J；t為時間，s；ui為速度在x，y，z三個方向的速度分量，m/s；k為導熱系數，W/(M·k)；CP為比熱容；St為能量源項，J/(m3·s)。

動量守恒方程：

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；ui為速度在x，y，z三個方向的分量，m/s；uj為三個方向上的速度分量(u、v、w)，m/s；t為時間，s；μ為動力黏度，N·s/m2；P為擴散開始時的壓力，Pa；Si為廣義源項。

組分輸運方程：

(4)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；Cs為組分s的質量分數；Ds是擴散系數。

湍流控制方程：

湍動能與耗散率的計算方程如下式：

(5)

(6)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；Yε和Yk為湍流耗散項，Gε和Gk為湍流產生項。

2 氨氣泄漏的幾何模型

2.1 幾何模型的構建

漁業船舶配備的冷凍艙室長期處于封閉狀態。本文以冷凍艙室為模擬對象，建立了艙室的二維數值模型，其原點設置在左下角，模型尺度按實際艙室的大小選取，寬度為6 000 mm，高度為3 000 mm，氨氣泄漏源設置在中部，如圖1所示。

圖1 艙室模型

為了得到氨氣泄漏探測裝置的合理安裝位置，在氣體易聚集的危險位置設置監測點，其中P1～P6為氣體探測器預安裝的監測點，P7～P9為作業人員在工作時的接觸高度處設置的監測點。另外，P1～P3設置在艙壁附近并預留出一定的安裝距離，P4～P6設置在艙室頂部附近并預留出一定的安裝距離，各監測點位置如表1所示。

表1 各監測點位置

2.2 網格劃分

利用ANSYS公司旗下的ICEM軟件[20]，將整個艙室劃分為疏密程度不同的幾個計算區域，其中泄漏口四周為網格局部加密的區域，網格大小為1 mm；從局部加密區以1.1倍率開始加粗網格，離泄漏點越遠，網格越大，網格最大值為20 mm。網格劃分多為四邊形網格，網格總數量為27 966，如圖2所示。

圖2 網格劃分

2.3 邊界條件

泄漏點所在壁面設為質量入口，兩側為固體壁面，無邊界滑移。

k方程的邊界條件為：

(7)

ε方程的邊界條件是：

(8)

式中：Cμ、k為常數；Kp為湍流動能；yp為P點到壁面的距離。

2.4 初始條件

本次氨氣泄漏屬于音速流動，泄漏速率計算公式為[21]：

(9)

式中：Q0為氣體泄漏速率，kg/s；Cd為氣體泄漏系數，當裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90，泄漏口假定為圓形，因此取1.00；氣體泄漏前壓力P為0.5 MPa；M為相對分子質量，氨氣為17；k為絕熱指數(等壓比熱容與等容比熱容的比值)，查常用氣體的絕熱指數表知，氨氣為1.313；普適氣體常數R一般取8.31 J/(mol·K)，環境溫度T為323 K；泄漏面積A為1×10-6m2；由計算可得：Q0=0.026 8 kg/s。故泄漏口氨氣的泄漏速率為0.026 8 kg/s，外界環境溫度為323 K。

3 模擬結果與分析

3.1 垂直泄漏狀態

開放空間下，風速與障礙物對氨氣擴散影響顯著[22]。而密閉空間內，氨氣泄漏擴散主要受壁面約束及自身密度影響。圖3為氨氣在垂直泄漏狀態下不同時刻的質量濃度分布圖。在內外壓力差的作用下，氨氣從泄漏口位置噴射而出，泄漏一半高度后發生不規則的飄逸運動，當接觸到艙室頂部時，遭受阻力作用，開始沿著艙壁往下擴散。

圖3 垂直泄漏狀態下不同時刻的氨氣質量濃度分布

圖4為氨氣在垂直泄漏狀態下各監測點的質量濃度變化圖。觀察P1～P6點氨氣質量濃度變化圖可知，監測點P1～P3檢測到氨氣泄漏較為遲緩，處于泄漏位置斜上方的監測點P6于3.8 s檢測到氨氣泄漏，比監測點P5快了1.1 s。由此可以斷定泄漏點正上方位置并不是最先檢測到氨氣泄漏的地方。

分析P7～P9點氨氣質量濃度變化圖可知，離泄漏點位置最近的P8處氨氣質量濃度變化最快，僅1.2 s就檢測到氨氣泄漏，而泄漏點左上方的P7處，11 s前甚至還未能檢測到氨氣泄漏。由此可見，氨氣剛泄漏時，氣體探測器讀取的數值并不能表示實際氨氣質量濃度。當氨氣處于垂直泄漏狀態時，較高位置處的氣體探測器對氨氣泄漏質量濃度變化的檢測更為精確。為了減少氨氣垂直泄漏所造成的影響，氣體探測裝置建議布置在P4～P6附近位置。

圖4 垂直泄漏狀態下各監測點的氨氣質量濃度變化

3.2 傾斜泄漏狀態

圖5表示氨氣在傾斜泄漏狀態下的泄漏軌跡。由于左右對稱，本文僅研究氨氣向右艙壁傾斜泄漏的狀態。在傾斜泄漏狀態下，氨氣貼近地面擴散，在4 s時靠近艙壁。在側向壁面的約束下，沿壁面上升直到完全占滿冷凍艙室。

圖6為氨氣在傾斜泄漏狀態下各監測點的質量濃度分布圖。

圖5 傾斜泄漏狀態下不同時刻的氨氣質量濃度分布

圖6 傾斜泄漏狀態下各監測點的氨氣質量濃度變化

此狀態下，P9最先檢測到氨氣泄漏，垂直高度為2 800 mm的P6第二個檢測到氨氣泄漏。兩者相差了近4 s，可見不同監測點的氨氣泄漏檢測嚴重滯后。泄漏點左上方的檢測點P5緊隨其后，壁面附近的P1～P3監測點最遲檢測到氨氣發生泄漏。最終，P1處檢測到氨氣質量濃度最高。壁面附近氨氣質量濃度的升高是泄漏點處氨氣擴散和空氣流動輸運其他位置氨氣的共同作用結果，輸運方向為豎直方向[23]。為了減少氨氣傾斜泄漏所造成的影響，氣體探測器建議布置在P5～P6附近位置。

3.3 不同泄漏方向

對比圖4和圖6可知，泄漏位置在中部時，泄漏方向的變化對艙壁與艙頂附近監測點的檢測幾乎沒有影響，而對作業人員在工作時接觸高度處設置的監測點的檢測影響較大，尤其是位于泄漏點正上方的P8。這說明氣體探測器預安裝監測點的選取較為合理。所以，氨氣泄漏探測裝置沿艙頂或艙壁布點，這與冷凍艙室制冷管架的布置位置也基本一致。

3.4 泄漏位置靠近艙壁

由于左右對稱，將泄漏源設置在靠近前艙壁1 000 mm處，作為泄漏源設置在中部的比較對象，泄漏速率仍為0.026 8 kg/s。圖7表示氨氣分別在2、4、8和16 s時的氨氣運動軌跡。當氨氣到達500 mm左右高度位置后呈云紋狀上升。在8 s以后，氨氣接觸壁面并沿壁面緩慢升高，之后飄落產生漩渦并形成堆積，直到完全占滿冷凍艙室。

圖7 不同時刻的氨氣質量濃度分布

圖8為氨氣在各監測點的質量濃度分布圖。由圖可知，靠近泄漏點的P1～P3處先檢測到氨氣泄漏且質量濃度較高，其中高度為1 000 mm的P1處最先檢測到氨氣泄漏且濃度變化最快，之后氨氣質量濃度一直起伏上升，該點氨氣擴散運動并不穩定。高度為1 500 mm的P2處和高度為2 000 mm的P3處也較快檢測到氨氣泄漏，但是氨氣擴散后基本集中在P1處附近?？梢?，泄漏位置靠近艙壁時，泄漏點附近監測點最先檢測到氨氣泄漏，距泄漏點的距離增加，氨氣質量濃度逐漸降低。

圖8 各監測點的氨氣質量濃度變化

針對泄漏源設置在靠近前艙壁1 000 mm處的情況，P1處最先檢測到氨氣泄漏，但其質量濃度變化最不穩定，因此在P1處設置監測點并不合適。氣體探測器建議布置在P2～P3處附近位置。

3.5 不同泄漏位置

對比圖4和圖8可知，泄漏位置的變化對監測點的氨氣質量濃度檢測影響較大。當泄漏點位于靠近前艙壁1 000 mm處時，艙壁附近的監測點P1～P3很快檢測到氨氣泄漏，其中P1處檢測到氨氣泄漏比泄漏點設于中部位置的情況整整快了8 s左右。在事先不能確定泄漏點位置時，艙壁附近安裝氨氣泄漏探測裝置是非常必要的。對于監測點P4～P9，泄漏位置在中部時能更快檢測到氨氣泄漏。所以，艙頂和艙壁都需要安裝氨氣泄漏探測裝置，這樣才能保證氨氣泄漏時盡快檢測出來，及時做出應對之策。

4 結論

對漁業船舶冷凍艙室內氨氣泄漏擴散模型進行的數值模擬研究，可得出如下結論：1)氨氣泄漏擴散的速度較快且短時間內可達到較高質量濃度；2)氨氣質量濃度隨高度的增加而不斷升高，艙室頂部的氨氣質量濃度高于底部；3)較高位置處的監測點對氨氣泄漏質量濃度變化的檢測更為準確；4)不同監測點的氨氣泄漏檢測具有一定的滯后性；5)泄漏點靠近艙壁時，氨氣在艙壁附近質量濃度較高；6)氨氣泄漏探測裝置的安裝應優先考慮艙室頂部和艙壁較高位置。本研究還未實現泄漏源的定位問題，后續考慮根據氨氣濃度值來推算出泄漏點的大致位置。

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