內河非溶解性危險化學品泄漏擴散過程影響因素

詹水芬，王明超，陳學民，蔣文新

（1. 蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 交通運輸部 天津水運工程科學研究院，天津 300456；3. 天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192）

近年來，我國水運危險化學品（危化品）運輸量不斷增大。內河非溶解性危化品一旦泄漏，將漂浮在水面上，形成危化品微團，造成水體以及沿岸環境污染。其中，易燃易爆類危化品微團可能導致火災和爆炸事故的發生。危化品泄漏事故造成的環境和安全問題已成為一個亟待解決的世界性難題［1］。開展內河船運危化品泄漏擴散過程影響因子研究，對于準確把控泄漏過程、選取應急措施、進行事故處置、降低事故影響，具有重要意義。

危化品在水體中泄漏過程的影響因素較多，國內外學者采用了多種方法進行研究，包括：水平對流擴散模型，三維瞬態流體體積（VOF）動力學模型，二維數值模型，IWIND-LR模型，基于N-S方程的計算流體動力學（CFD）法，Fluent軟件，ALOHA軟件等［2-13］。盡管有關水體中危化品泄漏擴散的研究取得了一定成果，但仍存在以下不足：1）當前的研究針對海上和水下管道泄漏較多，而針對內河水面危化品泄漏擴散的研究較少；2）對泄漏的危化品微團的尺寸、個數以及影響范圍等具體問題的研究仍需進一步深入。

本工作針對內河中非揮發性危化品運輸船舶的泄漏擴散問題，提出了一種內河非溶解性危化品泄漏擴散的通用數值模擬方法，對危化品微團泄漏、漂移和擴散過程進行分析，研究了危化品密度、危化品黏度、水流速率以及泄漏速率對泄漏擴散過程的影響，以期為危化品的防控、治理以及管理決策提供技術支持。

1 模型的建立

1.1 物理模型

內河中危化品運輸船舶與其他物體（船舶、橋墩等）發生剮蹭、撞擊后，可能會將船舶撕開一個泄漏口。此時，船舶內儲存的危化品將從泄漏口流出，進入內河水體。當難溶于水的泄漏危化品的密度小于水時，泄漏的危化品將漂浮在內河水面，形成危化品微團，并隨河水向下游流動。

針對內河船舶危化品泄漏擴散問題，建立適用于任意航道的危化品泄漏擴散物理模型。考慮到河道邊界的不規則性，利用地圖軟件（Google Earth）獲取河道區域的衛星地圖（118°78′E，32°21′N — 118°85′E，32°23′N）。利用繪圖軟件（Fluent）對河道、船舶以及建構筑物等進行準確刻畫，如圖1所示，黃色線以內為研究范圍。

圖1 內河危險化學品泄漏擴散研究范圍

1.2 數學模型

內河非溶解性危化品泄漏后將漂浮在河面上，形成危化品微團泄漏帶。采用VOF方法捕捉危化品微團的泄漏、漂移和擴散過程。內河危化品運輸船舶尺寸較大，危化品泄漏過程的雷諾數較高，流動過程屬于湍流。采用標準k-ε模型分析其湍流過程。綜上，內河危化品泄漏擴散的控制方程如下［14］：

式中：Q為泄漏流量，kg/s；u為泄漏速度，m/s；ρ、ρw和ρhc分別為流體、水和危化品的密度，kg/m3；t為泄漏時間，s；μeff為流體有效黏度，Pa·s，為流體黏度（μ）和湍流黏度（μt）之和；p為流體壓力，Pa；σ為表面張力，N/m；α為控制容積中水相的體積分數；κ為界面曲率，m-1，按式（4）計算。

式中，n為界面法向量。

內河危化品泄漏時，計算區域的危化品體積分數將發生變化，從而導致區域流體物性參數（密度、黏度等）發生變化。本研究采用式（6）進行計算。

式中，μw和μhc分別為水和危化品的黏度，Pa·s。

如前文所述，計算區域內流動過程屬于湍流，本研究采用標準k-ε方程進行計算。湍動能（k，J）、湍動能耗散率（ε）和μt分別按式（8）、（9）和（10）計算。

式中：參數c1、c2、cμ、σk和σε均為常數，其取值分別為1.44、1.92、0.09、1.0和1.3；Gk為湍動能生成項，按式（11）計算。

式中：S為平均形變速率張量的模，s-1；Sij為形變速率張量，s-1。

2 計算方法和算例設置

2.1 計算方法

計算中壓力和速度采用SIMPLE算法耦合，對流項和擴散項分別采用二階迎風格式和中心差分格式離散。非穩態項采用全隱格式離散。收斂標準為連續性方程余量和動量方程余量同時小于

1.0×10-5。

2.2 算例設置

采用三角形網格離散整個計算區域，如圖2所示。在船舶附近尤其是船尾泄漏口處進行網格加密，泄漏口處網格尺寸取0.05 m。通過對多套網格和多組時間步長試算結果的比較，選取總網格數為199 615，時間步長為0.1 s。

圖2 網格分布

對危化品船舶泄漏后危化品泄漏擴散過程中的危化品密度（ρhc）、危化品黏度（μhc）、水流速率（uw）和危化品泄漏速率（uhc）的變化進行分析，設置算例如表1所示，其中算例2為對照算例。

表1 不同算例的危化品密度、危化品黏度、水流速率和危化品泄漏速率

3 結果與討論

3.1 模型驗證

采用經典的液柱倒塌過程，作為模型的驗證算例。假設存在一個邊長4 m的正方形容器（方腔），其中有一個高度2 m、底部寬度1 m、長度1 m的液柱，在初始時刻靜止在容器的左端，由于重力作用液柱開始倒塌，然后與容器壁面碰撞。液柱在倒塌過程中，在與右壁面碰撞前，其前沿至左端固體壁面的距離（z，m）以及方腔內液相形態隨時間（t，s）的變化情況可通過實驗得到［14］，亦可通過本研究的模型計算得到，其結果分別見圖3和圖4。可以看出，計算結果與文獻結果吻合良好。

圖3 z～t關系曲線

圖4 方腔內液相形態隨時間的變化示意

3.2 影響因素分析

3.2.1 危化品密度的影響

圖5為危化品密度對危化品泄漏區域長度和寬度的影響。由圖5可以看出，密度變化對危化品泄漏區域長度和寬度的影響均較小。這是因為危化品微團在河道中發生漂移，由于河水流速對泄漏區域的影響較大，而使得密度對泄漏區域的影響未表現出來。

圖6為危化品密度對危化品微團數量和最大微團面積的影響。由圖6a可知，危化品密度的增加導致相同泄漏時間下微團數量增多。這是因為，當河水流速和危化品黏度固定時，密度增大將導致微團慣性增大，使得被甩出的液滴數量增大，因而微團數量增多。另一方面，密度對微團漂移和旋轉速率的影響不大，使得泄漏初期密度對最大微團面積的影響較小；當泄漏區域長度超過900 m時，危化品微團到達河道轉彎處，此時微團漂移速率有所減小，微團融合加快，最大微團面積出現波動，密度的影響逐漸顯現，如圖6b所示。

圖5 危化品密度對危化品泄漏區域長度（a）和寬度（b）的影響

圖6 危化品密度對危化品微團數量（a）和最大面積（b）的影響

總體而言，密度增大對泄漏區域和最大微團 面積的影響較小，而對微團數量有一定影響，泄漏危化品密度的增加將增大事故風險。

3.2.2 水流速率的影響

在枯水期和豐水期，內河水流速率差異較大。圖7為水流速率對危化品泄漏擴散范圍的影響。總體而言，隨水流速率的加快，泄漏區域長度和寬度均逐漸增大。危化品微團釋放后向下游漂移，水流速率對危化品泄漏區域長度具有決定性的影響。當河道水平時，水流速率對泄漏區域長度的影響近似為線性。在河道轉彎處，水流速率加快導致離心力增大，水流速率對泄漏區域長度的影響逐漸增強。對于危化品泄漏區域寬度：泄漏初期（泄漏時間小于15 min時），危化品微團自旋速率較大，此時水流速率的影響尚未表現出來；泄漏時間超過15 min后，微團自旋速率減小，此時在水流的沖擊下，被甩出的危化品液滴擴散速率加快，泄漏區域寬度逐漸擴大。

圖7 水流速率對危化品泄漏區域長度（a）和寬度（b）的影響

圖8為不同水流速率下內河泄漏的危化品微團數量和最大微團面積的演化過程。

由圖8可見，在泄漏初期（泄漏時間小于15 min），主微團（危化品泄漏后漂浮在水面的主體部分）融合較少，微團數量和最大微團面積均保持穩定增長；當泄漏時間超過15 min后，泄漏微團到達河道轉彎處，此時，微團融合速率加快，微團數量增長變慢，最大微團面積快速增大；當泄漏時間為30 min時，微團數量約為45，最大微團面積已超過1 500 m2。

圖8 水流速率對危化品微團總數量（a）和最大微團面積（b）的影響

綜上，當水流速率加快時，危化品泄漏擴散范圍（尤其是泄漏區域長度）顯著增大，而微團數量和最大微團面積卻變化不大。因此，水流速率加快將導致事故次生災害風險增大。

3.2.3 危化品黏度的影響

圖9為危化品黏度對危化品泄漏擴散范圍的影響。與密度的影響類似，黏度變化對危化品泄漏區域的影響較小。危化品泄漏區域長度主要受水流速率的影響，黏度的影響較小。當黏度增加時，微團內聚力將增強，在離心力和內聚力的共同作用下，危化品液滴數量出現波動，造成泄漏區域寬度有一定變化。

圖9 危化品黏度對危化品泄漏區域長度（a）和寬度（b）的影響

圖10為不同危化品黏度下內河泄漏的危化品微團數量和最大微團面積隨時間的演化過程。與圖9相似，黏度增大將導致微團內聚力的增加，在離心力和內聚力共同作用下，微團中甩出的液滴數減少，微團數量減少，最大微團面積有所減小。當微團靠近河道轉彎處時，出現了融合，最大微團面積快速增大。

綜上，黏度增大對危化品泄漏區域范圍、危化品微團數量和最大微團面積的影響較小。

3.2.4 危化品泄漏速率的影響

泄漏口危化品的流速直接決定了危化品泄漏量，從而直接影響內河危化品的泄漏、飄移和擴散過程。本節對不同危化品泄漏速率下的危化品泄漏過程進行計算，結果如圖11和12所示。

圖10 危化品黏度對危化品微團總數量（a）和最大微團面積（b）的影響

圖11 危化品泄漏速率對危化品泄漏區域長度（a）和寬度（b）的影響

由圖11和圖12可以看出，當危化品泄漏速率加快時：危化品泄漏區域的長度有所減小，而寬度則逐漸增大；同時，微團數量增多，且最大微團面積增大。究其原因，當泄漏速率加快時，相同時間下危化品泄漏量將增大，造成泄漏微團體積增大。對于設置算例，當危化品泄漏速率加快0.5 m/s時，最大微團面積約增加150 m2。同時，在微團黏性力作用下，微團間相互作用力增強，使得泄漏區域長度有所減小。另一方面，在微團泄漏時，伴隨順時針的旋轉，較大體積微團的轉動慣量較大，因而被甩出的微團數量較多，體積較大，表現為泄漏區域寬度較大，平均增長率約為7 m/min（見圖11b）。

圖12 危化品泄漏速率對危化品微團數量（a）和最大微團面積（b）的影響

總體而言，泄漏速率對內河危化品泄漏擴散過程影響較大，主要影響泄漏區域寬度、微團數量和最大微團面積。

4 結論

a）針對內河中非揮發性危化品運輸船舶的泄漏擴散問題，建立了一種通用數值模擬方法。

b）危化品的密度和黏度對內河危化品泄漏擴散過程的影響相對較小，而水流速率和危化品泄漏速率對危化品泄漏擴散過程的影響較大，且二者的影響存在明顯區別。水流速率對危化品泄漏擴散過程的影響主要表現在泄漏擴散范圍（尤其是泄漏區域長度）方面，而危化品泄漏速率的影響主要表現在泄漏區域寬度、微團數量以及最大微團面積方面。

c）研究結果表明，應針對豐水期危化品大泄漏量的情況展開監管，并將其作為內河危化品泄漏應急工作的重點。