危險性氣體泄漏擴散研究方法對比*

曹楊 王紅紅 呂松松 李忠濤

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

0 引言

危險性氣體具有易燃、易爆、有毒等特性，泄漏后會誘發火災、爆炸事故，還會造成環境破壞和人員中毒事件。2015年巴西國家石油公司“Cidade de Sao Mateus”號FPSO天然氣泄漏并引發燃爆事故，導致3人死亡、6人失蹤。1979 年吉林某化工廠液化石油氣罐發生泄漏并引發火災，造成86 人死亡[1-2]。通過開展氣體泄漏擴散的研究，對認識泄漏擴散機理與規律具有重要意義，為安全評價、事故應急救援等提供參考[3-4]。

目前，國外已基本形成了理論—試驗—數值模擬為框架的泄漏擴散知識體系。我國的研究起步較晚，對泄漏擴散試驗不足，理論模型研究基礎薄弱[5]，尚未形成一套完整的泄漏擴散的理論框架與知識體系。

筆者試圖從目前危險性氣體泄漏擴散方面的研究入手進行梳理，通過對現有的研究方法、適用對象、發展特征及內在聯系等進行總結與分析，以期對今后我國開展相關研究提供借鑒。

1 發展歷程

上世紀中葉，油氣泄漏爆炸事故頻繁發生，歐美研究機構展開了一系列現場全尺寸氣體泄漏試驗，尤其是針對重氣，目的在于掌握現場氣體泄漏擴散情況，為控制泄漏爆炸事故進一步擴大提供指導。

同時，泄漏擴散理論研究也在逐步開展。最初模型為高斯模型，針對連續、瞬時泄漏發展為高斯煙羽模型和煙團模型[6]。為求解擴散系數，Sutton模型被提出[7]。美國運輸部曾對高斯穩態煙羽模型修正得到MTB模型，并應用于70—80年代[8]。基于泄漏擴散試驗數據，一些學者提出了BM模型[9]。隨后，箱模型、板模型、相似模型、淺層模型及三維傳遞模型等被提出[10]，逐步從氣團運移整體宏觀描述向局部微觀探究發展。這一時期的研究是根據不同泄漏條件提出計算模型，其計算程序被相繼開發出來。80年代后期，眾多數值模擬軟件問世，如Fluent、FLACS、Phast等。

另外，相關的試驗研究也在開展，如縮小比例試驗、風洞試驗以及水槽試驗，尤其是風洞試驗對揭示氣體擴散規律、結果驗證等起到重要的推動作用[11-12]。

我國在此方面的研究始于上世紀80年代，部分科研院所開展了一系列的風洞試驗、水槽模擬試驗以及危險化學品泄漏擴散、火災爆炸、監測監控等研究[13-17]。國內學者還根據已有試驗數據，結合數值模擬開展了泄漏擴散規律及驗證方面的研究。然而，我國未開展任何全尺寸泄漏試驗，在泄漏擴散基礎理論研究方面相對薄弱。目前，危險性氣體泄漏擴散研究方法主要有數學模型、試驗和數值模擬。

2 主要研究方法

2.1 數學模型法

泄漏擴散數學模型[5]是用于描述氣體泄漏后在大氣范圍內的時空分布狀況。常見的氣體泄漏擴散數學模型、研究對象、適用條件及特點等如表1所示。

表1 泄漏擴散數學模型

從適用對象來看，數學模型從輕質、中性氣體，逐漸發展到重質氣體。高斯模型在對輕質、中性氣體連續源或瞬時源泄漏擴散建模以及濃度時空分布的描述方面有很好的應用。重質氣體在泄漏擴散過程中呈現階段性，并展現出不同的擴散特征。針對重質氣體泄漏擴散相繼提出了Sutton模型、BM模型、箱模型、板模型、相似模型、三維傳遞模型等。

數學模型方法演變呈現出以下特點：①通過引入無限分割法，逐漸從整體物理特征描述向內部物理參數描述發展。如箱模型以宏觀整體描述為主，而板、相似模型等以微觀內部描述為主。②重氣擴散研究向方向性及邊界問題處理發展。如箱、板模型對徑向與側向擴散速度的研究，云團邊界與大氣卷吸處理等問題。③復雜大氣、地形條件下，重氣擴散模型向精細化處理方向發展。如FEM3和MDPG，基于N-S方程等，綜合考慮重氣下沉、空氣卷席及氣云吸熱等復雜情況進行綜合分析與處理。④根據特定泄漏擴散條件和數據更新，衍生新的模型。如Sutton模型是為了解決擴散系數求解而產生的模型，而BM模型是根據試驗數據得到的圖表關系式，是典型的經驗型模型。此外，還產生了SLAB、TWODEE等。

2.2 試驗法

(1)全尺寸現場試驗

全尺寸現場試驗又稱為現場大規模試驗，以LNG、其他重質氣體以及混合氣體為研究對象，在特定的氣象條件、地形、泄漏源等，對海面、湖面或地面上泄漏擴散過程進行研究。現場泄漏試驗是根據真實泄漏情景進行的模擬試驗，可提供一手的試驗數據，對開展理論研究提供數據支撐[2, 8]。典型現場大規模泄漏試驗如表2所示。

表2 泄漏擴散現場試驗

(2)縮小比例現場試驗

縮小比例現場試驗是根據相似理論將實際擴散模型進行放大或縮小，常用量綱分析法對相關泄漏參數進行縮放，得到試驗所需要的泄漏情景參數，再將試驗結果還原到實際模型中，得到氣體泄漏擴散規律。HALL D J等[11]開展HF縮小比例泄漏擴散試驗，并驗證了在某些條件下其試驗的可行性。DANDRIEUX A等[12]通過開展縮小比例試驗研究了扇形水幕對氯氣泄漏擴散的影響作用。施志榮[18]通過縮小比例模型試驗研究了有害氣體的擴散規律，結合CFD模擬結果進行了對比分析。XING J等[19]和寧平等[20]通過縮小比例模擬試驗研究了CO2發生噴出后的濃度場分布，并對試驗結果進行了模擬驗證。

(3)室內試驗法

室內試驗法主要有風洞試驗法和水槽試驗法。

風洞試驗[21]是根據相似理論，將氣體泄漏擴散場景實物按照一定的相似比縮小，并根據風洞試驗模擬結果按照相似準則對應到大尺度氣體泄漏擴散現場原型。

MERONEY R N等[21]在1∶28.9比例風洞模型中開展了不同泄漏條件下LNG擴散過程模擬，研究過程中提出了弗勞德數。HEIDORN K C等[22]通過風洞模擬試驗研究無風或微小風條件下，障礙物對重氣煙團擴散行為影響。ROBERTS P T等[23]研究了表面粗糙度對重氣擴散的影響。SWEATMAN W L等[24]研究了重氣瞬時源泄漏下，泄漏量及濃度隨時間變化的問題。HAVENS J等[25]通過風洞試驗研究了在均勻障礙物影響下，不同泄漏量、風速條件時CO2的擴散速度以及濃度變化規律。ROBINS A等[26]研究了中性、穩定層結及不同粗糙度的煙羽擴散規律。CHRC中心開展了低風速或超低風速的重氣泄漏擴散試驗，研究了在設置障礙物情況下LNG泄漏擴散行為[27]。

我國部分科研院所開展了風洞模擬試驗，研究重氣瞬時源、連續源擴散行為。倪章松等[15]對工業區有毒有害氣體擴散規律進行了風洞試驗研究。杜可[16]、劉國梁[27]以風洞試驗為手段，探究瞬時源、重氣煙羽擴散特征以及圍墻和樹對其擴散行為的影響。沈武艷[17]通過風洞模擬試驗開展了高原山區城市重氣泄漏擴散規律的研究。姜傳勝等[28]還將重氣連續泄漏的風洞模擬實驗結果與SLAB重氣擴散模型的預測結果進行了對比。

水槽試驗法主要是利用水槽模型，通過研究不同密度液體的流動狀態來模擬氣體擴散規律。秦頌等[29]、蒯念生等[30]研究了重氣在鹽水中的擴散規律。

(4)不同類型試驗法的對比

針對危險性氣體泄漏擴散不同類型試驗研究情況進行總結及分析，具體如表3所示。

表3 不同類型試驗法的對比

由表可見，危險性氣體的試驗研究有以下特征：①試驗模型尺寸逐漸縮小。從室外全尺寸、大規模試驗到室內水槽試驗，試驗規模越來越小，從室外轉到室內，成本、周期逐漸減小，可操作性、重復性逐漸變強。②試驗理論性不斷加強。全尺寸泄漏試驗無需任何理論推導，而縮小比例、風洞及水槽試驗都需進行相似理論計算，所需無量綱參數也不同。③試驗研究對象范圍進一步擴大。從LNG、LPG、CO2到Freon與N2混合，泄漏物質從重質氣體到中性氣體，從單一物質到混合物質，水槽試驗更是用液體擴散代替氣體研究，泄漏量逐漸變小，從有毒到無毒，研究對象呈現出多樣性。④試驗模擬的場景越來越復雜。從簡單泄漏場景逐漸向復雜泄漏條件發展，如全泄漏LNG試驗多在海、湖面，縮小比例試驗多在平坦陸地，風洞試驗多模擬復雜地面、存在障礙物分布以及不同粗糙度的泄漏擴散，邊界條件處理上逐漸細化，試驗研究向復雜化、精細化方向發展。

2.3 數值模擬法

數值模擬方法與數學模型的提出和發展密不可分。泄漏擴散理論、試驗的深入開展，為泄漏擴散計算模型的構建和設計提供大量理論基礎和數據資料。隨著箱模型和相似模型的提出，對氣體擴散的研究從簡單、均勻的宏觀整體特征，轉向氣團內部物理參數的細致考究。許多計算模型在箱模型基礎上被開發，如CRUNCH、SOURE、II T Heavy Gas等模型用來計算瞬態連續釋放的重氣擴散[31-34]。TERIELE P H M[35]開發了穩態條件釋放源地面煙羽濃度數值模型，殼牌以此開發了HEGADAS。ZEMAN發展了SLAB模型，用于模擬氣團擴散的3D特征[36]。WURTZ J等[37]、HANKIN R K等[38]開發了DISPLAY I II Model、TWODEE等模型，但這些模型受假設條件的影響，對特別復雜的邊界條件，模擬結果存在不準確性和不確定性。三維傳遞模型進一步完善了數值模擬，通過引入N-S方程，使其更適用于三維非定常湍流的模擬。

數值模擬方法的發展呈現以下特點：①數值模擬發展主要基于理論模型的創新，新的氣體擴散數學模型提出為數值計算模型開發提供了理論基礎和框架。②數值模擬向復雜化、精細化計算發展。數值模擬從簡單一維模型發展到復雜三維模型，還能對復雜地形條件、泄漏條件情景模擬，對非定常條件湍流進行描述。③數值模擬向交叉方向發展。數值模擬過程中還需結合有限差圖解法、有限空間理論以及靜、滯流體力學相關理論等方法和學科[39]。

2.4 研究方法間的內在聯系

危險性氣體泄漏擴散研究方法之間存在相輔相成、相互驗證的關系。數學模型為開展相關試驗提供理論基礎和指導。試驗開展驗證了數學模型的適用性與準確性，也反映其存在的問題，作進一步改進。試驗中可能出現新的擴散現象，會衍生出新的數學模型，豐富了泄漏擴散理論。數值模擬使得復雜的數學模型計算成為可能，并提高計算速度，避免人工計算帶來的誤差與錯誤。對泄漏擴散物理模型構建、邊界條件及計算模型的要求朝著真實化、精細化、精確化方向發展。泄漏擴散試驗的開展及其結果，為數值模擬結果驗證提供了數據支持，同時對邊界條件設置和參數選擇提供了經驗和參考。危險性氣體泄漏擴散研究方法之間的內在聯系如圖1所示。

圖1 危險性氣體泄漏擴散研究方法之間的內在聯系

3 結語

(1)應加強在氣體泄漏擴散理論和試驗方面的研究，提出適用于國內發展的泄漏擴散理論模型。

(2)應開展低風速、復雜地形、傾斜表面條件下，考慮大氣濕度、太陽輻射因素的泄漏擴散模型研究，以及多組分氣體成分及其伴有化學反應過程、非穩態重氣及多組分重氣泄漏擴散方面的研究。

(3)應開展精細化數值建模研究，須做好現場調研，掌握清楚現場設備設施尺寸、數量及布置情況，為后期精確建模奠定基礎。