范林盛 刘 勇,2,3讲师 李润求,2教授 施星宇讲师 周荣义,2,3副教授

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201；4.长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)

0 引言

随着化工行业的不断发展，氯气在工业上的用途越来越广泛，目前氯气储运主要采用压缩和低温液化工艺，其液化气体具有毒性、燃爆性、强腐蚀性等特点，在道路运输过程中涉及到周围环境、驾驶员、运输车、运输介质、应急管理等不确定因素，很大程度上增加了事故风险[1]，极易导致氯气泄漏。据统计，2013-2019年共发生危化品道路运输事故2 317起，其中泄漏事故占80%[2-3]，事故一旦发生，轻则造成环境污染，重则危及周边地区人民群众的生命和健康安全[4]。

21世纪，国内外学者在危化品道路运输领域做了大量研究，早期主要集中在实验、事故数据统计分析及模型研究几个方面。2002年，潘旭海等[5]对我国发生的重(特)大、典型事故案例进行统计，总结了16种泄漏模式。近年来随现代化信息技术的发展，涌现出以计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件为主的数值模拟方法，如黄琴、王东东、于立见、Robin K.S. Hankin等[6-10]对危险重气瞬时泄漏和连续泄漏进行了研究。该方法在20世纪前就已经诞生，但在近20年才真正得到较为广泛的应用，CFD方法的出现很好地克服了理论分析与实验研究的弱点，适用性广，又可形象地再现流动情景，如今已大量运用在危化品泄漏研究中。周宁等[11]研究了大型LNG储罐连续泄漏扩散过程的敏感影响因素；张锦荣等[12]根据不同氯气浓度对人体的危害程度和扩散浓度等值曲线，将危险区域划分为轻度、中度、重度和立即致死4个区域；钟岸等[13]研究了环氧乙烷随泄漏速率、自然风速和地面粗糙度变化时的动态扩散变化规律；王文和等[14]基于Fluent探讨了改变泄漏速度、自然风速对氯气泄漏分布带来的影响。

以往氯气泄漏数值模拟更多地关注在气相泄漏，针对罐体不同相态泄漏扩散规律的研究相对较少。液氯槽罐车在运输过程中发生泄漏时，不仅仅是单一的气相泄漏，也可能是两相流泄漏或液体泄漏。由于泄漏孔的位置将直接影响泄漏相态的变化，可将其分为泄漏口位于液面以上的气相泄漏或位于液面以下的液相泄漏2种泄漏模式。综上，本文采用Fluent软件对液氯槽罐车不同泄漏模式进行相关数值模拟，深入分析风向、风速、泄漏孔径对其泄漏扩散过程的影响规律。

1 模型的建立

1.1 液氯槽罐车泄漏物理模型

在液氯槽罐车道路运输过程中，由于车辆碰撞、刮擦、侧翻等原因，导致罐体受损从而引发泄漏事故。假定某液氯槽罐车在行驶过程中发生碰撞导致罐体尾部出现泄漏。泄漏过程中，由于连续性泄漏具有蒸气云团等明显现象，或车辆自身具有报警功能，可被立即发现，因此，模拟过程中将其假定为固定泄漏源。为简化槽罐车模型，将其假定为长10m，直径4m的圆形储罐，距离地面高度为1m。考虑计算精度、计算机资源和阻塞率原则，计算域为100m×50m×30m。使用ICEM CFD软件进行结构化网格划分，网格数量为60万。采用“密度盒”网格加密方法，考虑到计算机的计算能力及网格质量，因此仅对罐体泄漏口下风向网格进行加密，如图1。模型中X轴正方向为顺风向，左侧为风速入口，右侧为出口；X轴负方向为逆风向，出入口相反。风速入口给定速度入口(Velocity Inlet)，氯气泄漏口给定质量流率入口(Mass Flow Inlet)；罐体和四周设为固壁(Wall)条件。

图1 计算域和网格Fig.1 Computational domain and grid

本文所述氯气泄漏后的流动可看为湍流流动过程，湍流模型选择Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型，即“可实现”一词也意味着模型中与雷诺应力有关的量满足某些数学限制，与实际流动的物理情况相符，不仅能够有效用于弯曲壁面流动，还能模拟包含有射流和混合流的自由流动。利用该模型模拟氯气泄漏过程的射流现象更具有优势。

(1)湍流动能方程(k方程)。

(1)

式中：

k—湍流动能，m2/s2；

ε—湍流动能耗散率，m2/s3；

t—时间，s；

ρ—密度，kg/m3；

ui—时均速度，m/s；

μ—湍流粘度，Pa·s；

μt—湍流粘性系数，Pa·s；

xj,xi—空间坐标；

Pk—平均速度梯度引起的湍动能产生项；

Pb—浮力引起的湍动能产生项；

Sk—用户自定义源项；

σk—湍流动能对应的普朗特数；

YM—可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。

(2)耗散率方程(ε方程)。

(2)

式中：

υ—运动粘度，m2/s；

S—广义源项；

σε—耗散率对应的普朗特数；

Sε—用户自定义源项；

C1ε,C3ε,C2—经验常数；

η=Sk/ε；

1.2 泄漏量计算与条件假设

泄漏包括气相、两相流、液相3种泄漏源模式，由于液氯槽罐车罐体壁厚一般小于10cm，泄漏流程长度很短，存在不平衡条件，使得液氯没有时间在孔洞内闪蒸，不会形成两相流，因此仅考虑气相、液相2种泄漏情形[15]，其泄漏模式见表1。

表1 液氯槽罐车泄漏模式Tab.1 The leakage model for the liquid chlorine tank

模拟过程中，发生气相空间泄漏时，使用组分运输模型模拟氯气泄漏扩散过程；发生液相空间泄漏时，考虑到液氯流出后在外部迅速发生闪蒸，可使用混合模型和组分运输模型模拟液氯泄漏扩散过程。泄漏速率可根据伯努利方程计算[16]：

(1)气体泄漏。

(3)

(4)

式中：

Qm—氯气质量流率，kg/s；

C0—气体泄漏系数，圆形泄漏口可取1；

A—泄漏口横截面积，m2；

p—罐体内部压力，取1MPa；

p0—环境压力，101kPa；

M—相对分子质量，kg/mol；

T—气体温度，取288.15K；

γ—气体等熵指数，氯气取1.35；

Rg—气体常数，通常取值8.314 36 J/mol·k。

(2)液体泄漏。

(5)

式中：

Cd—液体泄漏系数，通常取0.60～0.65；

ρf—泄漏液体密度，取1 398kg/m3；

h—裂口上液位高度，取2.5m；

g—引力常数，取9.8m/s2。

液氯泄漏后与外界环境接触会立即发生闪蒸，可根据式(6)判断是否形成液池：

(6)

式中：

Cp—两相混合物的定压比热，取0.957kJ/kg·K；

T0—泄漏前液体温度，取298.15K；

Tb—液体在常压下的沸点，取238.65K；

H—液体的汽化热，取280kJ/kg。

根据经验，当Fv>0.2时，地面一般不会形成液池。

由几何模型数据计算得液氯槽罐车气体泄漏质量流量为0.92kg/s，液体泄漏质量流量为4.03kg/s。模拟基本假设和简化条件如下：液氯罐体泄漏口处的泄漏速率恒定；罐体视为绝热壁面，环境初始温度为25℃；泄漏过程中不发生任何化学反应；风速为水平方向，大小恒定，不随高度与温度变化；假设泄漏气体和环境气体为理想气体。

2 模拟结果分析

氯气是一种具有强腐蚀性的有毒气体，对环境与人体的危害极大，即使吸入少量也会导致致命性伤害甚至死亡。根据《工作场所空气中有毒物质容许浓度》中规定，大气中所存在氯浓度大于3 000mg/m3时人体吸入少量就会立即死亡，换算成体积摩尔浓度为4.23×10-5kmol/m3。为研究不同泄漏模式对事故后果的影响，分析不同风速、风向、泄漏孔径对其泄漏扩散过程的影响，对如下工况进行模拟，见表2。

表2 氯气泄漏工况Tab.2 Chlorine gas leakage conditions

2.1 气相空间泄漏模拟分析

泄漏口设置在液面以上，距罐顶0.5m处，取平面y=1.5m为呼吸高度，对该平面的氯气泄漏扩散云图进行分析。图2为发生气相空间泄漏时，不同风向、风速条件下平面y=1.5m的氯气浓度分布云图。当风向为顺风向时，在云团的横截面上，泄漏初期阶段氯气主要聚集在罐体正前方，并随着风速增大，沿X轴的扩散速度越快、距离越远，沿Z轴的扩散距离缩小。

当风向为逆风向时，风速越大，罐体周围的氯气稀释的越快。在扩散过程中氯气先沿顺风向扩散后又反向扩散，这是由于罐体内部压力高于环境压力，蒸气以一定初速度向外喷射，受到空气阻力及风向的影响，氯气速度减小随后反向流动扩散。比较分析知，气相空间泄漏扩散的范围大小受风向的影响不明显，风速的增加加剧了气云的平流输送作用，单位时间内向前输送的距离越远。

2.2 液相空间泄漏模拟分析

改变泄漏孔高度，将其设置在液面以下距罐底1m处。图3为液相空间泄漏不同风向、风速条件下平面y=1.5m氯气浓度分布云图。顺风向泄漏扩散时，云团出现分叉现象，具有中间低、两侧高的特点，分析认为由于液氯泄漏时存在初始动量，流落到地面后受到风速影响开始向侧前方蔓延同时发生闪蒸，而罐体正前方速度较小，并沿侧前方逐渐增大，风速增大使得湍流运动越剧烈，大气湍流效应与重力共同作用使得氯气呈现向前向上的扩散运动，且两侧扩散速度高于中间部分。

逆风向泄漏扩散时，云团前端出现“尖端”，浓度高于两侧，这是由于在X轴方向上距罐体越远风速越大，导致云团前端的扩散速度比两侧快，从而出现浓度“尖端”。由图3可以看出，液相空间泄漏范围呈扇形展开，顺风向与逆风向泄漏扩散范围受风速影响明显，风速越大时，致命范围越大，扩散速度越快。

图2 气相空间泄漏扩散云图Fig.2 Contours of leakage and diffusion in gas phase space

图3 液相空间泄漏扩散云图Fig.3 Contours of liquid leakage and diffusion in liquid phase space

2.3 不同泄漏模式同风向扩散对比分析

为分析液氯槽罐车气相空间、液相空间泄漏扩散浓度分布特点，设置Z轴中心处高度y为1、2、3、4m的4条线段，在不同风速条件下，氯气顺风向泄漏40s时，监测沿X轴方向上的氯气浓度变化情况。由图4可知，液氯槽罐车发生液相空间泄漏时，在x=5～10m段(泄漏口处周围)出现氯气浓度的最大值，随后缓慢下降，且大量的氯气主要沉聚在距地高度1m以下；对比风速为2、4m/s条件下氯气浓度的分布，速度较大时，高度y=1m处氯气浓度较小。

发生气相空间泄漏时，在y=4m，x=10m处(泄漏口附近)出现浓度最大值并随着扩散沿X轴方向迅速降低；对比风速为2、4m/s条件下氯气浓度的分布，当风速为2m/s时氯气浓度下降趋势较快，在x=16m处氯气沉降到高度y=1m，随后氯气浓度出现缓慢上升，这是因为在氯气与空气混合后密度减小，气云缓慢上升，同时受到风速影响继续向前输送，导致氯气浓度出现短暂上升阶段，在扩散一段距离后氯气进一步被稀释，浓度开始缓慢下降；当

图4 气相、液相空间泄漏氯气浓度随扩散距离变化Fig.4 The chlorine concentration changes with different diffusion distance when leakage in the liquid phase and gas phase space

风速为4m/s时氯气浓度下降趋势相对缓慢，在x=20m处氯气沉降到高度y=1m。

为探究液氯槽罐车泄漏后的氯气浓度变化规律，进行多组不同泄漏时间的模拟计算分析，计算至120s时，其氯气浓度具有逐渐稳定的趋势。图5、6为不同泄漏模式泄漏120s，监测点(30,1.5,0)的氯气浓度变化情况。发生气相空间泄漏时，不同风速条件下监测点处浓度值最高均达到6×10-4kmol/m3，并在泄漏初期浓度曲线出现振荡，60s后保持相对稳定状态，风速越高，曲线振荡越剧烈，相对稳定后的浓度越低。

发生液相空间泄漏时，曲线未出现剧烈振荡现象，仅有一个峰值。当风速为2m/s，曲线在40s处达到峰值浓度2.7×10-4kmol/m3，60s后保持平稳；当风速为4m/s，曲线在20s处达到峰值浓度5.5×10-5kmol/m3，40s后保持平稳。两者对比可以发现，风速越大时，监测点浓度变化速率越快，峰值浓度越低，保持相对平稳后的氯气浓度也越低，表明随风速增加大气湍流作用越强，扩散作用越明显。

图5 点(30,1.5,0)气相空间氯气浓度监测曲线Fig.5 The observation curve of the chlorine concentration in gas phase space at point (30,1.5,0)

图6 点(30,1.5,0)液相空间氯气浓度监测曲线Fig.6 The observation curve of the chlorine concentration in liquid phase space at point (30,1.5,0)

2.4 不同泄漏孔径泄漏影响分析

考虑顺风向自然风速为4m/s时，泄漏孔径分别为3、6、10mm的泄漏扩散情形，图7为泄漏扩散15s时平面y=1.5m的氯气浓度分布情况。当泄漏孔径为3mm时，气相泄漏的致命范围仅出现在罐体后部，范围较小；液相泄漏暂未出现氯气致命浓度范围，此时周围人员应迅速撤离。当泄漏孔径为10mm时，液相泄漏的致命范围远远大于气相泄漏，在Z轴方向的扩散距离远远大于3、6mm小泄漏孔。可以看出，随泄漏孔径的增大，气相、液相泄漏模式的致命范围均随即扩大。

图7 不同泄漏孔径氯气浓度分布云图Fig.7 Contours of chlorine concentration distribution in different hole size

3 结论

(1)对比2种泄漏模式，风向、风速对气相空间泄漏扩散的范围大小的影响主要体现在Z轴方向，液相空间泄漏扩散范围的影响更为明显。当风速为2m/s，无论风向为顺风向或逆风向，气相空间泄漏扩散的致命范围均大于液相空间泄漏；当风速为4m/s，液相空间泄漏扩散的致命范围远远大于气相空间泄漏扩散的致命范围。

(2)气相空间氯气泄漏初期不稳定，浓度变化起伏较大，液相空间泄漏过程相对稳定，氯气主要聚集在距地高度1m以下；风速对2种泄漏模式扩散过程的影响具有相似点，风速越大时，峰值浓度越低，保持相对平稳后的氯气浓度也越低。

(3)气相、液相泄漏模式的致命范围均随泄漏孔径的增大而增大；当泄漏孔径达到10mm时，液相泄漏致命范围沿Z轴扩散大幅度增加。

(4)本文对液氯槽罐车不同泄漏模式进行数值模拟，得到的不同条件下气相、液相空间氯气泄漏扩散规律，可对危化品道路运输应急救援提供依据，减小毒气扩散的危害。