石化管道丁烷氣體泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

周 寧,王偉天,陳 兵,李 雪,陳 力,黃維秋,趙會(huì)軍

(1.常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

丁烷作為燃料與原料大量用于工業(yè)生產(chǎn)，為易燃、易爆、有毒的氣體，發(fā)生泄漏后形成氣云，易導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生，造成人員中毒傷亡。例如：2013年6月，云南硯山某公司的廠區(qū)管道破裂，發(fā)生丁烷氣體泄漏并引發(fā)火災(zāi)，造成5人傷亡；2016年11月，位于美國(guó)路易斯安那州的Baton Rouge煉油廠發(fā)生了丁烷氣體泄漏，丁烷氣云遇明火源引發(fā)大面積火災(zāi)，造成大量設(shè)備燒毀以及4人嚴(yán)重?zé)齻Ｒ虼耍芯慷⊥闅怏w的泄漏擴(kuò)散規(guī)律對(duì)于安全生產(chǎn)意義重大。

針對(duì)丁烷氣體泄漏擴(kuò)散行為的研究主要包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究、物理模擬研究和數(shù)值模擬研究[1]。近年來(lái)，為研究重氣泄漏擴(kuò)散特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各類重質(zhì)氣體泄漏擴(kuò)散的一般規(guī)律進(jìn)行了研究[2-3]。如潘旭海等[4]從控制重氣云團(tuán)擴(kuò)散行為的微分方程入手，根據(jù)箱模型以及其他重氣擴(kuò)散模型采用向前插分和牛頓迭代的方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到重氣云團(tuán)外形尺寸和空氣卷吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律以及重氣云團(tuán)在下風(fēng)向固定點(diǎn)處地面的最大濃度值，較好地反映了重氣云團(tuán)特有的擴(kuò)散行為；吳玉劍等[5]利用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)Thorney Island Trial026實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了CFD軟件能較精確地模擬障礙物地形下的重氣擴(kuò)散過(guò)程；姜傳勝等[6]開(kāi)展了重氣連續(xù)泄漏擴(kuò)散的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，剖析了重氣連續(xù)泄漏擴(kuò)散的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了環(huán)境風(fēng)速對(duì)重氣連續(xù)泄漏擴(kuò)散的影響；Chavez等[7]采用風(fēng)洞模擬試驗(yàn)和CFD軟件研究了六氟化硫在建筑物群的擴(kuò)散行為。目前，關(guān)于石化裝置及其相關(guān)工藝管道氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律方面的研究較多，而對(duì)化工園區(qū)周邊管廊管道氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律以及擴(kuò)散云團(tuán)對(duì)周圍環(huán)境的影響的研究較少，因此本文利用CFD軟件對(duì)某石化園區(qū)化工管廊管道丁烷氣體的泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)值模型的建立

1. 1 幾何模型

上海某化工園區(qū)的某段管廊全寬為9 m，總高為10.9 m，共三層管架，其中選作研究對(duì)象的編號(hào)55號(hào)管道位于第二層管架，距地面6.5 m，距管架左側(cè)邊緣2 m，管徑為0.078 m，壁厚為5.5 mm。根據(jù)石化園區(qū)化工管廊管道現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況并考慮泄漏氣體的充分流動(dòng)，選取計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)40 m、寬20 m，管道直徑為0.078 m，管道距離左側(cè)入口邊界為2 m，管道底部距離地面為6.5 m，管道位置可以保證流動(dòng)充分發(fā)展[8]。泄漏口位于管道頂部中間，泄漏口直徑為0.02 m。建立的幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric Model

1. 2 數(shù)學(xué)模型

丁烷氣體泄漏擴(kuò)散的過(guò)程遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和湍流控制方程，考慮到丁烷氣體泄漏后在大氣中的擴(kuò)散行為，本次數(shù)值模擬計(jì)算將啟動(dòng)組分?jǐn)U散模型[9-10]。具體方程如下：

(1) 連續(xù)性方程為

(1)

式中:ρ為流體的密度(kg/m3)；t為時(shí)間(s)；u為速度矢量(m/s)。

(2) 動(dòng)量守恒方程為

(2)

(3) 能量守恒方程為

(3)

(4) 湍流控制方程Realizablek-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在濃度分布計(jì)算上有更好的精度[11]，故對(duì)氣體擴(kuò)散湍流問(wèn)題采用Realizablek-ε模型，其湍流方程為

(4)

(5)

式中:k為湍流動(dòng)能(J)；ε為耗散率(%)；xi、xj分別為各坐標(biāo)分量；C1ε、C3ε、C1為常數(shù)；σk為湍流動(dòng)能k的湍流普朗特?cái)?shù)，取值為1.0;σε為耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)，取值為1.2;C2為常數(shù),取值為1.9；Gk為因速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能源項(xiàng)(J)；Gb為因浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能源項(xiàng)(J)；YM為在可壓縮湍流中波動(dòng)擴(kuò)張引起的耗散項(xiàng)(%)；?為運(yùn)動(dòng)黏度(m2/s)。

(5) 組分?jǐn)U散模型為

(6)

1. 3 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

管道泄漏口設(shè)置于管道頂部中間，泄漏口直徑為0.02 m，屬小孔泄漏。管內(nèi)溫度取管道運(yùn)行時(shí)的溫度即313.16 K，環(huán)境溫度為300 K，環(huán)境壓力為101 325 Pa。為了便于計(jì)算，管道氣體泄漏過(guò)程簡(jiǎn)化為連續(xù)泄漏且管道內(nèi)部壓力不隨泄漏過(guò)程改變。

考慮到泄漏口附近壓力變化較大、流場(chǎng)復(fù)雜，為了保證計(jì)算的精度，計(jì)算模型在管道泄漏口及其附近進(jìn)行網(wǎng)格局部加密(見(jiàn)圖2)，泄漏口處加密網(wǎng)格尺寸為0.008 mm×0.008 mm，其余網(wǎng)格尺寸為0.09 mm×0.09 mm，計(jì)算模型總網(wǎng)格數(shù)為314 420，90%的網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.9，滿足本文的計(jì)算精度要求。

泄漏口采用速度入口，左側(cè)入口邊界設(shè)置速度入口，計(jì)算區(qū)域頂部及右側(cè)邊界設(shè)置為壓力出口，管壁和底部地面為無(wú)滑移的恒溫壁面。計(jì)算采用Pressure-Base求解器求解，選擇瞬態(tài)計(jì)算，湍流模型選取Realizablek-ε模型，啟動(dòng)能量守恒方程，選擇組分輸運(yùn)模型。

圖2 泄漏口處網(wǎng)格加密情況Fig.2 Grid encryption at the leak

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2. 1 無(wú)風(fēng)狀態(tài)下丁烷氣體的泄漏擴(kuò)散規(guī)律

管道運(yùn)行壓力為1.8 MPa，與大氣壓力相差約16倍，當(dāng)丁烷氣體從泄漏口以射流形式進(jìn)入大氣后其與環(huán)境壓力迅速達(dá)到相對(duì)平衡，平衡區(qū)域較小且集中于泄漏口附近，故對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域造成的影響較小。無(wú)風(fēng)狀態(tài)下丁烷氣體泄漏穩(wěn)定后的速度和組分濃度分布云圖，見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)風(fēng)狀態(tài)下丁烷氣體泄漏穩(wěn)定后的速度和組分 濃度分布云圖Fig.3 Cloud map of butane velocity and concentration distribution when the leakage is stable under the windless condition

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)丁烷氣體泄漏的自由擴(kuò)散穩(wěn)定后，速度和組分濃度分布均呈對(duì)稱關(guān)系。由于丁烷氣體泄漏的初始狀態(tài)為高壓力高濃度射流，在泄漏口處組分濃度和速度達(dá)到最大值，隨后逐漸擴(kuò)散，最終與大氣混合。

根據(jù)丁烷氣體泄漏速度分布云圖[見(jiàn)圖3(a)]可以看出：由于丁烷氣體在泄漏初始狀態(tài)時(shí)速度最大，丁烷氣體以射流的形式從泄漏口噴射而出，并且在泄漏口上方形成錐形的射流流場(chǎng)，當(dāng)丁烷氣體高速噴射到大氣后，迅速與大氣介質(zhì)均勻摻混，同時(shí)向周圍擴(kuò)散。

此外，由圖3還可以看出，丁烷氣體泄漏為無(wú)固壁約束的自由湍流，由于存在壓力和速度差，丁烷氣體的湍性射流迅速與周圍邊界中活躍的湍流進(jìn)行混合，對(duì)周圍介質(zhì)產(chǎn)生吸卷，發(fā)生渦流現(xiàn)象。而在泄漏口的附近，丁烷氣體泄漏的射流作用使管壁兩側(cè)的壓力下降，形成局部低壓，產(chǎn)生“負(fù)壓區(qū)”(見(jiàn)圖4)，最終導(dǎo)致丁烷泄漏氣體往射流邊界層發(fā)生橫向流動(dòng)(見(jiàn)圖5)。由于丁烷氣體進(jìn)入大氣后對(duì)空氣發(fā)生吸卷效應(yīng)，使其射流的最大速度隨著距泄漏口距離的增大而逐漸減小，丁烷氣體泄漏射流的最大速度處于中心線上，其與距泄漏口的距離的平方根成反比。

圖4 丁烷氣體泄漏近場(chǎng)負(fù)壓特征區(qū)Fig.4 Negative pressure feature area near field of the leakage of butane gas

圖5 無(wú)風(fēng)狀態(tài)下丁烷氣體泄漏射流邊界層擴(kuò)大特征 云圖Fig.5 Profiling feature cloud map of jet boundary layer of butane gas leakage under the windless condition

另外，由圖3(a)可以觀察到丁烷氣體泄漏后產(chǎn)生湍性射流的幾個(gè)特征：丁烷氣體與大氣介質(zhì)的均勻摻混呈現(xiàn)出自由射流的自模性[12]，主要表現(xiàn)為在不同的截面上丁烷氣體與大氣介質(zhì)的混合長(zhǎng)度與射流寬度呈正比關(guān)系，氣流參數(shù)分布規(guī)律相似，而整體的氣體擴(kuò)散分布規(guī)律表現(xiàn)為線性漸進(jìn)；氣體微團(tuán)由于受到湍性射流所產(chǎn)生的渦流的影響，發(fā)生橫向的質(zhì)量、熱量和動(dòng)量交換，伴隨著這些交換的發(fā)生而產(chǎn)生邊界層，邊界層的存在導(dǎo)致射流擴(kuò)展的同時(shí)更容易對(duì)周圍的大氣介質(zhì)產(chǎn)生吸卷[13]；由于泄漏的丁烷氣體與環(huán)境大氣發(fā)生的吸卷效應(yīng)，重力作用使射流出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在距泄漏口越遠(yuǎn)的地方越明顯，該射流屬于非等密度射流；氣體射流寬度與距泄漏口(即射流源)的距離呈正比關(guān)系[14]。

丁烷氣體泄漏擴(kuò)散的組分濃度分布規(guī)律相似于速度分布規(guī)律，兩者均呈對(duì)稱分布，且存在邊界層。氣體射流中心區(qū)域?yàn)榧兌⊥闅怏w，射流邊界層以外為環(huán)境大氣介質(zhì)，邊界層屬于丁烷氣體與大氣介質(zhì)的混合物。丁烷氣體的流動(dòng)性質(zhì)與純射流較為相近，表現(xiàn)在濃度分布中射流核心區(qū)域的射流氣體幾乎不受大氣介質(zhì)的影響，其濃度極高。由于射流寬度與距射流源的距離呈正比關(guān)系，伴隨射流高度的增加，射流氣體的濃度分布范圍也隨著射流寬度的增加而增大[15]。這是因?yàn)榇髿饨橘|(zhì)受到射流過(guò)程的卷吸而對(duì)其產(chǎn)生了阻滯作用，導(dǎo)致射流氣體速度下降，初始動(dòng)量減少，當(dāng)射流氣體受到浮力影響時(shí)其射流速度逐漸增大，擴(kuò)散范圍也逐漸擴(kuò)大，最終在重力的作用下發(fā)生沉降[16]。

丁烷氣體爆炸上限為8.4%，爆炸下限為1.9%，取爆炸下限的二分之一為警戒濃度(0.95%)，通過(guò)Tecplot軟件對(duì)丁烷氣體泄漏組分濃度分布云圖進(jìn)行處理，得到無(wú)風(fēng)狀態(tài)下丁烷氣體泄漏組分濃度等值線圖(見(jiàn)圖6)，并對(duì)各區(qū)域面積進(jìn)行估算。

圖6中,紅色區(qū)域?yàn)槎⊥闅怏w高濃度區(qū)域，丁烷氣體組分濃度高于其爆炸上限8.4%，區(qū)域面積約為80 m2；黃色區(qū)域?yàn)槎⊥闅怏w爆炸極限區(qū)域，丁烷氣體組分濃度區(qū)間為[1.9%，8.4%]，介于其爆炸上、下限之間，區(qū)域面積約為35 m2；綠色區(qū)域?yàn)榫鋮^(qū)域，丁烷氣體組分濃度區(qū)間為[0.95%，1.9%]，介于其警戒濃度與爆炸下限之間，區(qū)域面積約為16 m2。由于丁烷氣體泄漏的射流速度和壓力較大，其密度高于空氣密度，射流氣體的核心區(qū)域濃度變化緩慢，外圍區(qū)域氣體則迅速與大氣摻混，使其濃度降低。在初始動(dòng)能被大量消耗、氣體達(dá)到射流高度峰值時(shí)，丁烷氣云仍然保持高濃度狀態(tài)，產(chǎn)生渦卷現(xiàn)象的區(qū)域氣體濃度達(dá)到8.4%以上。

2. 2 環(huán)境風(fēng)速對(duì)丁烷氣體泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響

研究不同風(fēng)速對(duì)丁烷泄漏氣體濃度分布的影響對(duì)研究丁烷氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律有著重要的意義。通過(guò)數(shù)值模擬得到不同環(huán)境風(fēng)速(分別為3 m/s、5 m/s、8 m/s時(shí))、丁烷氣體泄漏初始速度為30 m/s狀態(tài)下其濃度分布云圖，見(jiàn)圖7。

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速下丁烷泄漏氣體組分濃度場(chǎng)分布云圖Fig.7 Clound map of concentration field distribution of butane gas leakage with different ambient wind speeds

由圖7可見(jiàn)，丁烷氣體泄漏的濃度場(chǎng)往下風(fēng)向徑向偏斜率受環(huán)境風(fēng)速的影響，環(huán)境風(fēng)速增大使其射流偏離垂直方向的角度隨之增大；在泄漏口處丁烷氣體出流速度極高，遠(yuǎn)大于環(huán)境風(fēng)速，由于兩者速度差較大使泄漏口處的丁烷氣體射流動(dòng)壓力受風(fēng)流產(chǎn)生的動(dòng)壓力的影響微弱。

不同環(huán)境風(fēng)速下管道泄漏孔處丁烷氣體泄漏射流無(wú)偏移特征區(qū)云圖，見(jiàn)圖8。

圖8 不同環(huán)境風(fēng)速下管道泄漏孔處丁烷氣體泄漏 射流無(wú)偏移特征區(qū)云圖Fig.8 Cloud map of the no offset feature area of the butane gas leakage jet at the pipe leak hole with different ambient wind speeds

由圖8可見(jiàn)，丁烷氣體位于泄漏口處的濃度場(chǎng)沒(méi)有發(fā)生明顯偏移，但隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，無(wú)偏移的氣體射流縮短；而當(dāng)射流距離逐漸增大后，氣體射流速度下降，空氣阻力的作用逐漸超過(guò)氣體射流動(dòng)壓力的作用，同時(shí)其射流受到大氣湍流的影響也逐漸增加，氣體擴(kuò)散范圍擴(kuò)大，風(fēng)流的動(dòng)壓力逐步增強(qiáng)且影響作用更加明顯；在環(huán)境風(fēng)速的作用下丁烷氣體的濃度場(chǎng)往下風(fēng)向轉(zhuǎn)移，氣體擴(kuò)散受環(huán)境風(fēng)速的影響加強(qiáng)，且丁烷氣云受到環(huán)境風(fēng)流的影響而連續(xù)性被破壞，高濃度區(qū)域的丁烷氣云被割裂成小型氣團(tuán)，環(huán)境風(fēng)速越大，切割后形成的氣團(tuán)越小。

采用Tecplot軟件對(duì)不同環(huán)境風(fēng)速下丁烷氣體泄漏濃度場(chǎng)分布云圖進(jìn)行處理，得到不同風(fēng)速下丁烷氣體泄漏組分濃度等值線圖(見(jiàn)圖9)，并對(duì)各區(qū)域面積進(jìn)行估算。

圖9 不同環(huán)境風(fēng)速下丁烷氣體泄漏組分濃度等值線圖Fig.9 Contours of concentration of butane gas leakage with different ambient wind speeds

由圖9可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為3 m/s時(shí)，丁烷氣體泄漏高濃度區(qū)域(丁烷氣體組分濃度>爆炸上限8.4%)面積約為66 m2，爆炸極限區(qū)域(丁烷氣體組分濃度介于爆炸上限8.4%、爆炸下限1.9%之間)面積約為128 m2，警戒區(qū)域(丁烷氣體組分濃度介于爆炸下限1.9%、警戒濃度0.95%之間)面積約為18 m2[見(jiàn)圖9(a)]；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5 m/s時(shí)，丁烷氣體泄漏高濃度區(qū)域面積約為64 m2，爆炸極限區(qū)域面積約為234 m2，警戒區(qū)域面積約為30 m2[見(jiàn)圖9(b)]；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8 m/s時(shí)，丁烷氣體泄漏高濃度區(qū)域面積約為60 m2，爆炸極限區(qū)域面積約為242 m2，警戒區(qū)域面積約為35 m2[見(jiàn)圖9(c)]。同時(shí)，由圖9還可以發(fā)現(xiàn)：隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，丁烷云團(tuán)水平移動(dòng)距離增加，相同水平截面的云團(tuán)高度下降，說(shuō)明環(huán)境風(fēng)對(duì)氣云的擴(kuò)散有明顯的促進(jìn)作用，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，氣云整體擴(kuò)散面積增加，高濃度區(qū)域面積逐漸減小，而濃度相對(duì)較低的爆炸極限區(qū)域和警戒區(qū)域的面積不斷增大。

2. 3 泄漏初始速度對(duì)丁烷氣體泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響

對(duì)丁烷氣體泄漏初始速度分別為30 m/s、40 m/s、50 m/s和60 m/s 4工況下丁烷氣體的泄漏擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，環(huán)境風(fēng)速設(shè)置為8 m/s，得到丁烷氣體泄漏濃度場(chǎng)分布云圖，見(jiàn)圖10。

圖10 環(huán)境風(fēng)速為8 m/s時(shí)不同泄漏初始速度下丁烷 氣體泄漏組分濃度分布云圖Fig.10 Cloud map of concentration field distribution of butane gas leakage with different leaking initial velocities when the wind speed is 8 m/s

由圖10可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速相同時(shí)，丁烷氣體泄漏初始速度越高，氣體射流動(dòng)壓力越大，氣體射流受風(fēng)流動(dòng)壓力的影響越微弱，氣體射流發(fā)生的軸向偏移量越小。這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境風(fēng)速不變時(shí)，丁烷氣體泄漏初始速度較小，風(fēng)力對(duì)氣體射流產(chǎn)生束縛作用，氣體射流的動(dòng)壓力受到風(fēng)流動(dòng)壓力的作用更強(qiáng)，使氣團(tuán)不易受到大氣湍流的影響，擴(kuò)散作用減弱，擴(kuò)散范圍縮小，徑向偏斜率增大，徑向擴(kuò)散距離增加；當(dāng)丁烷氣體泄漏初始速度增大，氣體射流將在較低的高度發(fā)生擴(kuò)散行為，徑向偏斜率和擴(kuò)散距離減小，此時(shí)丁烷氣體的湍性射流更容易與周圍大氣湍流混合，對(duì)靜止大氣介質(zhì)產(chǎn)生卷吸，發(fā)生渦流現(xiàn)象。

采用Tecplot軟件對(duì)不同泄漏初始速度下丁烷組分濃度分布云圖進(jìn)行處理，得到不同泄漏初始速度下丁烷氣體泄漏組分濃度等值線圖(見(jiàn)圖11)，并對(duì)各區(qū)域面積進(jìn)行估算。

圖11 不同泄漏初始速度下丁烷氣體泄漏組分濃度 等值線圖Fig.11 Contours of concentration of butane gas leakage with different leaking initial velocities

由圖11可見(jiàn)，當(dāng)丁烷氣體泄漏初始速度為30 m/s時(shí)，丁烷氣體高濃度區(qū)域(丁烷氣體組分濃度高于爆炸上限8.4%)面積約為44 m2，爆炸極限區(qū)域(丁烷氣體組分濃度介于爆炸上限8.4%與爆炸下限1.9%之間)面積約為162 m2，警戒區(qū)域(丁烷氣體組分濃度介于爆炸下限1.9%與警戒濃度0.95%之間)面積約為30 m2[見(jiàn)圖11(a)]；當(dāng)丁烷氣體泄漏初始速度為40 m/s時(shí)，丁烷氣體高濃度區(qū)域面積約為60 m2，爆炸極限區(qū)域面積約為242 m2，警戒區(qū)域面積約為35 m2；當(dāng)丁烷氣體泄漏初始速度為50 m/s時(shí)，丁烷氣體高濃度區(qū)域面積約為87 m2，爆炸極限區(qū)域面積約為284 m2，警戒區(qū)域面積約為40 m2；當(dāng)丁烷氣體泄漏初始速度為60 m/s時(shí)，丁烷氣體高濃度區(qū)域面積約為128 m2，爆炸極限區(qū)域面積約為427 m2，警戒區(qū)域面積約為58 m2。同時(shí)，由圖11還可以看出，隨著丁烷氣體泄漏初始速度的增大，氣云重量增加，氣云內(nèi)部分子壓強(qiáng)增大，風(fēng)力對(duì)云團(tuán)擴(kuò)散的影響不斷衰減，氣體自由擴(kuò)散作用隨之增強(qiáng)并逐漸成為云團(tuán)擴(kuò)散的主導(dǎo)因素，最終導(dǎo)致氣云的縱深增大，氣云同時(shí)向高空與地面蔓延，各濃度區(qū)域面積同時(shí)擴(kuò)大，其中爆炸極限區(qū)域面積的擴(kuò)大程度最強(qiáng)。由于高濃度區(qū)域空氣不足，丁烷氣體難以燃燒，低濃度區(qū)域丁烷氣體不足以引起燃燒，而爆炸極限區(qū)域的丁烷氣體易燃、易爆，與空氣混合后不穩(wěn)定，容易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，故爆炸極限區(qū)域?yàn)槎⊥闅怏w泄漏的主要危險(xiǎn)區(qū)域[14-15]。隨著丁烷氣體泄漏初始速度的增加，危險(xiǎn)區(qū)域面積增大并往地面貼近，因此丁烷氣體泄漏初始速度越大，氣云縱深越長(zhǎng)，丁烷氣體泄漏危險(xiǎn)程度越高。該模擬結(jié)果符合氣體自由擴(kuò)散泄漏的表達(dá)式，即氣體泄漏質(zhì)量流量越大，擴(kuò)散面積越大。其表達(dá)式為

(7)

式中:Qm為泄漏氣體的質(zhì)量流量(kg/s)；C0為泄漏氣體的流出系數(shù)，無(wú)量綱；A為泄漏氣體的擴(kuò)散面積(m2)；P0為容器內(nèi)壓(Pa)；P為環(huán)境壓力(Pa)；M為泄漏氣體的分子質(zhì)量，單位為1；Rg為理想氣體常數(shù)(J/mol·K)；γ為泄漏氣體的絕熱系數(shù)(無(wú)量綱)；T0為泄漏源的溫度(K)。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某石化園區(qū)化工管廓管道丁烷氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1) 無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，丁烷氣體從泄漏口以無(wú)固壁約束的自由射流形式進(jìn)入外部大氣環(huán)境，射流氣體的速度和濃度分布均呈對(duì)稱分布，分布規(guī)律較為相似。射流氣體離開(kāi)泄漏口后受浮力作用，氣體流速表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律，越靠近軸線該現(xiàn)象越明顯。

(2) 環(huán)境風(fēng)速使丁烷氣體射流發(fā)生徑向偏斜，環(huán)境風(fēng)速越大，徑向偏斜率越大，射流氣體的偏斜點(diǎn)與泄漏口之間的距離越短；環(huán)境風(fēng)速對(duì)丁烷氣云擴(kuò)散有促進(jìn)作用，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，氣云水平擴(kuò)散距離增加，相同水平截面上氣云的擴(kuò)散高度減小；環(huán)境風(fēng)速對(duì)丁烷氣云產(chǎn)生割裂作用，環(huán)境風(fēng)速越大，氣云連續(xù)性受破壞的程度越大，割裂后形成的氣團(tuán)體積越小、數(shù)量越多；環(huán)境風(fēng)速與丁烷氣體泄漏擴(kuò)散引起的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域面積呈正比關(guān)系，環(huán)境風(fēng)速增大，丁烷氣體泄漏擴(kuò)散引起的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的水平距離增加，其擴(kuò)散高度減小，且環(huán)境風(fēng)速越大，丁烷氣體泄漏擴(kuò)散引起的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域主要分布位置往下風(fēng)向移動(dòng)距離越大，而其擴(kuò)散高度維持在5～15 m的高度上。

(3) 丁烷氣體泄漏初始速度與丁烷氣體泄漏擴(kuò)散引起的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域面積呈正比關(guān)系，丁烷氣體泄漏速率增大，丁烷氣體泄漏擴(kuò)散引起的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域水平距離不受影響，但氣云縱深增加，其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域面積擴(kuò)大。