（安全技术及工程专业论文）受限空间内气体扩散的数值模拟及分析.pdf

受限空间内气体扩散的数值模拟及分析 t h en u m e r i c a ls t u d yo nd i f f u s i o no fg a s e si nl i m i t e ds p a c e a b s t r a c t t h ea c c i d e n t a lr e l e a s eo fv a s tf l a m m a b l e ，e x p l o s i v eo rt o x i cm a t e r i a l sp r o d u c e da n du s e d i nm o d e mi n d u s t r i e sw o u l db r i n ga b o u tag r e a td i s a s t e rt ot h es o c i e t ya n dw h a th a p p e n e dh a s l e f tad e e pl e s s o nt ot h ep e r s o n s i n c el9 7 0t h eu n i t e ds t a t e sb u r e a uo fm i n e sp u b l i s h e dt h e r e p o r to f “h a z a r d o u so fl n gs p i l l a g eo nm a r i n et r a n s p o r t a t i o n ”w h i c hm a di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c h e r st op a ya t t e n t i o nt ot h es t u d yo fd i f f u s i o na n dt h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f d i f f u s i o no fg a s e sb e c o m et h er a p i dd e v e l o p m e n ta n da d v a n c e dr e s e a r c hf i e l d r e c e n t l yw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，av a r i e t yo f e x c e l l e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o d ew a sd e v e l o p e di nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nf i e l di n c l u d i n gf l u e n tw h i c hh a sb e e nw i d e l y u s e di nt h ef i e l do ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e r t h et h e s i ss i m u l a t e dt h et r a n s p o r t a t i o na n d d i f f u s i o no fg a s e sa c c i d e n t a l l yr e l e a s e di nl i m i t e ds p a c ew i t hf l u e n tc o d ea n ds h o w e dt h e c o n c e n t r a t i o nc o n t o u rm a p so fg a s e sw i t ht i m ea n ds p a c ea n dt h ev e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o n ， a n dt h e ns t u d i e dd e e di n t ot h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r st ot h ed i f f u s i o no f g a s e sa n dg a v et h er e l a t e dc o n c l u s i o n s i th a sab i gs i g n i f i c a n c eb o t l li na c c i d e n tp r e v e n t i o n s u c ha sf i r ea l a r n la n dt h ed e v e l o p m e n to fe m e r g e n c yr e s c u em e a s u r e sa f t e ri th a p p e n e da n d i ns a f e t ya s s e s s m e n t t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： l 、am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sc r e a t e dt os i m u l a t et h ed i f f u s i o no fg a s e si nl i m i t e ds p a c e a n di l l u s t m t et h en u m e r i c a lm e t h o d sb e i n gu s e d t h ei 矾gk - t u r b u l e n c em o d e lw a su s e dt o d e s c r i b et h et u r b u l e n c eo fa i ri n t h es p a c ea n ds p e c i e st r a n s p o r tm o d e lw a sa c t i v a t e da n d s i m p l ea l g o f i t h mw a su t i l i z e dt oc a l c u l a t et h ef l o wo ft h ef l u i d 2 ) b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fg a s e si nl i m i t e ds p a c e ，t h et r a n s p o r t a t i o na n d d i f 如s i o no fh y d r o g e nw a ss i m u l a t e du s i n gt h ef l u e n tc o d ea n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw a s c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ai nr e l a t e dr e f e r e n c ea n di tw a sp r o v e dt h a tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i f f u s i o no fh y d r o g e ni nt h ev e n t i l a t e dr o o mi sr i g h ta n dt h ea l g o r i t h m w i t ht h ef l u e n tc o d eb e i n gc h o s ei sa c c u r a t ea n df e a s i b l e 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h eh y d r o g e nd i f f u s i o ni nt h ev e n t i l a t e dr o o m ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fh y d r o g e ni sd i s c u s s e da n ds t u d yd e e pi n t o t h ei n f l u e n c eo fc h a n g eo fl o c a t i o no fv e n ta n dt h ee x i s t e n c eo fb a r r i e rt ot h ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o no fh y d r o g e na n dv e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o n 4 ) b a s e do nt h ep r e c e d e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x a m p l e ，t h ed i f f u s i o nm o d e lo f m e t h a n ei nt h es i m p l i f i e dc o a lm i n et u n n e lw a sc r e a t e da n da d d e dt h ec o n s i d e r a t i o no fw i n d i i 大连理工大学硕士学位论文 v e l o c i t yo u t s i d e t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fm e t h a n ei nt h es i m p l i f i e dc o a lm i n et u n n e l w i t ht h eb a r r i e re x i s t e dw a sd i s c u s s e da n ds t u d yd e e pi n t ot h ec o n c e n t r a t i o nc o n t o u rm a p sa n d v e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o no nd i f f e r e n tc o n d i t i o n ss u c ha s ：t h ed i f f e r e n tv e l o c i t yo f r e l e a s e ，t h ed i f f e r e n ts i z eo fb a r r i e r ( w i d t ha n dh e i g h to fb a r r i e o ，t h eu n e q u a ld i s t a n c eb e t w e e n t h el e a k a g es o u r c ea n dt h eb a r r i e r , t h er e l a t i v el o c a t i o nb e t w e e nl e a k a g es o u r c ea n dt h eb a r r i e r a n dt h ed i f f e r e n td e n s i t yo ft h eg a s e s a n dt h e nt h er e l a t e dc o n c l u s i o nw a sg i v e na n db a s e do n t h a ts o m e s u g g e s t i o nw a sg i v e nt ot h ef i x i n go ft h ec o m b u s t i b l eg a sa l a r m k e yw o r d s ：c o m b u s t i b l eg a s ；d i f f u s i o n ；n u m e r i c a ls t u d y ；c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n - i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢 的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不 包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：矍医空闻凼氢篮芷邀鲍熬焦搓拯丞佥盘 作者鳓：_ 王丑午一嘲：单年卫月尘日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：矍匮空间内氢篮芷邀鲍熬焦搓赵及佥盘 作者签名： 尘；湟耸日期：竺l 年j l 月鱼日 导师签名：么垄型日期：2 么生年z - 月三日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1化工过程泄漏事故模拟概述 化工、石化行业中的许多事故都会导致有毒、易燃和易爆物质的泄漏扩散，从而对 周围的环境和人员造成一定的伤害。由于高压容器、储罐、输送管道的破裂和容器反应 失控及其它原因都会导致危险性物质的泄漏扩散，由于这些事故发生后容易对周围的环 境产生严重的后果，因此采用数学模型对危险气体泄漏后的释放扩散行为进行模拟，以 期对事故的预防和发生后采取应急救援措施提供一定的帮助，这在科学研究中具有愈来 愈重要的意义。 我国和世界上其它一些国家曾经发生过多起严重的泄漏事故，引起中毒、火灾和爆 炸等事故，造成了严重的社会后果。1 9 8 4 年1 2 月，印度博帕尔联合碳化物公司所属农 药厂有毒气体( 异氰酸甲酯) 意外泄漏造成两千多人死亡，五万人失明，二十多万人被 迫转移，引起全世界的震惊i lj 。1 9 7 9 年9 月温州电化厂液氯泄漏，这是我国第一个受到 广泛关注的严重泄漏事故，其后果造成5 9 人死亡，约8 0 0 人严重中毒1 2 1 。1 9 8 5 年辽宁 抚顺火车站的槽车液氯泄漏，以及1 9 9 0 年武汉市液氨泄漏，1 9 9 1 年江西上饶的一甲胺 泄漏【2 】等也造成了严重的人员伤亡和环境污染。这些事故的发生和其带来的严重后果， 引起了人们对有毒有害和易燃易爆气体泄漏扩散的广泛关注。美国1 9 8 6 年通过了应 急反应计划和公众周知法，要求设立州和地方应急反应委员会来为社会开发应急反应 计划。1 9 9 5 年美国环境保护局( e p a ) 完成了危险管理计划，要求工厂进行危险评价，开 发应急反应计划。我国政府各有关部门对此也很重视，原化工部、劳动部、城乡建设部、 全国人民防空委员会、国家环境保护局、中国人民解放军总参谋部防化部等都进行过专 题调查或召开专门会议，力求把防范化学事故纳入城市建设总体规划中去，并采取了一 系列应急措施【引。虽然人们对危险物质意外释放所造成的重大灾害十分重视，但是缺乏 足够的且有效的数据可提供人们进行危险评价及预防改善措施，因此，采用数学模型对 危险气体泄漏后的释放扩散行为进行计算机模拟成为一种必要。1 9 7 0 年，美国矿务局公 布了一份“海上运输时液化天然气泄漏的危害 ( h a z a r d so fl n gs p i l l a g ei nm a r i n e t r a n s p o r t a t i o n ) 研究报告，触发了国际上对危险气体扩散问题的研究，以至于意外释放的 扩散数学模式模拟成为快速发展且先进的研究领域1 4 5 j 。 因此，运用扩散模型描述意外释放的危险性物质( 易燃、易爆或有毒) 在环境中的 输运和扩散过程，给出污染物质浓度的时空分布以及各影响因素对物质扩散的影响，在 环境保护和安全预防方面有着重要的指导意义。人们可以根据模拟的结果对危险性物质 受限空间内气体扩散的数值模拟及分析 泄漏事故的预防和发生后制定应急救援措施提供一定的依据，对于有毒物质可以根据模 拟结果来确定不同严重度的危害区范围，另外这些模拟结果，对于保证安全的过程设计 或安全评价都有重要的的指导意义。 如果一旦知道了所发生的泄漏事件，就可以选择源模型来描述物质是怎样从过程系 统中泄放出来的。源模型给出了流出速率、流出总量( 或流出的总时间) 和流出状态( 即 固体、液体、气体或某一组合) 的表达。随后，就可以使用扩散模型来描述物质是怎样 向下风向传输和消散到某一浓度水平的。通过这种后果模拟，就可以将这些特殊事件的 结果转化为对入( 受伤或致死) 和建筑物的影响。 后果模拟的步骤如图1 1 所示【6 】，通过确定泄漏事件，即过程中什么情况导致了危 险物质的释放，建立源模型，即描述物质是怎样释放出来的以及释放的速率，接下来最 重要的就是运用扩散模型来估算下风向危险物质的浓度，一旦知道了下风向的浓度，就 可以使用一些准则来估算后果或对环境的影响。通过对危险物质释放扩散后浓度的预 测，人们针对事故的发生可以制定各种应对方案，如制定周围社会的紧急反应计划，进 行工程修改以消除释放源，或者将潜在的释放源围起来，增加适当的排泄洗涤器或其他 蒸气排除设备，或者还可以增加区域监测仪器以检测初始的释放，准备隔断阀和工程控 制器来消除溢出和释放的危险程度。因此，采用扩散模型估算下风向危险物质的浓度这 一步就成为后果模拟的重要部分。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 后果模拟分析程序 f i g 1 1 g u i d e l i n e sf o rc o n s e q u e n c ea n a l y s i so f c h e m i c a lr e l e a s e 1 2 气体泄漏扩散模型的发展概况 对危险气体泄漏扩散过程的研究有三种方法：现场试验、风洞试验和数值模拟。 现场实验法是选取与事故泄漏现场规模一致的场景进行模拟，泄漏物质、数量、泄 漏速度以及外部的气象、地形等条件均与事故泄漏现场相同h 1 。由于现场实验的条件与 真实场景一致，因此得到的数据真实可靠，有时还可以从现场实验中观察到一些独特的 试验现象，但现场实验耗资巨大，时间长，可重复性差。风洞试验是在人工制作的风洞 一3 一 受限空间内气体扩散的数值模拟及分析 中，模拟危险气体扩散的自然环境，以研究气体扩散过程的一种方法。风洞试验模拟法可 方便地调控某些试验参数，试验可重复性大，但其难点在于要确定危险重气体原形与模 拟试验的无量纲相似常数，而且它只能做到对大气流动状况的部分模拟。另外，现场试 验和风洞试验均需要较大的试验经费，并且试验条件受到限制难以普遍开展，而数值模 拟由于成本低且场景设置方便等而成为研究气云扩散规律的重要手段。 在危险气体泄漏扩散的模拟研究方面，国外起始较早，从上世纪七、八十年代就开 始了，直到现在该领域的研究还比较活跃，国内相对较晚，但近年来也有了较大的发展。 在整个发展过程中主要出现了以下几种扩散模型：高斯模型、唯象模型、s u t t o n 模型、 箱及相似模型和三维传递现象模型。 1 2 1 高斯模型 该模型是最早开发的数学模型，适用于点源的扩散，从统计方法入手，考察扩散质 的浓度分布瞪1 。p l u m em o d e l ( 烟羽模型) 适用于连续源的扩散，其浓度分布公式为： 如小础，：彘州f 臧p 嘲 m ， 式中，c 为扩散质体积分数；q 为源的泄放速率，m 3 s ；h 为有效源高，m ；x ，y ，z 是该点坐标；盯一仃，分别为横风向和竖直方向的扩散系数，m 。 p u f f m o d e l ( 烟团模型) 适用于短时间泄漏的扩散，即泄放时间相对于扩散时间比较 短的情形，如突发性泄放等。若假设气体云内空间上的分布为高斯分布，则地面地处风 向的烟团浓度分布算式阳3 为： 出烘一番p 专学争 m 2 ， 式中，吒为水平扩散系数，m ；m 为气体或污染物泄放总量，m 3 ；其他符号意义同 式( 1 1 ) 。 高斯模型、烟羽模型和烟团模型均未考虑重力影响，所以只适用于轻气体或与空气 密度相差不多的气体的扩散。虽然高斯模型存在许多缺点，但由于开发较早，技术较成 熟，模型计算简便等特点仍在污染物扩散领域广泛应用。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 唯象模型 唯象模型是指通过一系列图表或者简单关系式来描述扩散行为的模型，又称为b m 模型n 饥1 1 3 。该模型提出连续和瞬时释放的浓度关系表达式为： 式中，c ，c 。分别为气云横截面上的平均浓度、初始浓度，将c 。c 。实验数据用计算机 绘制成曲线，根据曲线来确定烟流长度和危险范围。后来，h a n n a 【1 2 1 等人进行了无因次处 理并拟合成解析公式，发现与该实验曲线吻合较好。该模型主要适用于中性或重气体的 研究，且计算简便，结果表现直观，侧重于大规模泄漏的研究。 1 2 3s u t t o n 模型 该模式是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散问题的1 8 】，其浓度分布的计算式为： ， ， 彤毋焉p 。器i ( 1 4 ) 式中，c y ，c ：为与气象条件有关的扩散参数，m ；同式( 1 1 ) 中的仃，吒。 s u t t o n 模型较适用于中性气体的扩散研究，但其精度不高，与实验值相差较大。 1 2 。4 箱及相似模型 箱及相似模型n 3 1 是指假定浓度、温度和其他场，在任何下风横截面处为矩形分布或 相似分布( 如高斯分布) 等简单形状，这里的矩形分布是指在某些空间范围内场是均匀 的，而在其他地方为零。该类模型预报气云的总体特征，如平均半径、平均高度和平均 气云温度，而不考虑其在空间上的细节特征。气体重力效应消失后行为表现为被动气体 扩散，所以该类模型还包括被动扩散的高斯模型及对它的修正。由于考虑了气体重力及 流动扩散阻力等因素的影响，与高斯模型相比，箱模型计算精度较高，尤其是重性气体 的扩散模拟。 箱及相似模型具有概念清晰、计算量较小、强健性等优点，特别适合危险评价，其 结果己成为应急咨询、应急措施和其他决策的重要组成部分。但模型存在固有的局限性， 警 璧 受限空间内气体扩散的数值模拟及分析 即必须假定速度和浓度的自相似分布，并且通常涉及不连续的界面，具有很大的不确定 性。 1 2 5 浅层模型 浅层模型是基于浅层理论( 浅水近似) 推广得到的。浅水近似在海洋学和气象学领域 有着悠久的历史，对于重气扩散也可近似适用，并在许多文献中【悼1 刀已采用。采用该方 法模拟重气云扩散过程的依据是气云侧风方向的尺寸比高度方向尺寸要大得多。 h a i l i n & b r i t t e r 【1 刀假定任意点处重气层的深度h ，速度u = ( u ，v ) ，密度p ，则不可压缩流体 的二维浅层模型方程通式为： i o u + 罢i 罢：e d 4 - ( 1 5 ) 一十一一= 一 ii ii a ta x却 、 对于体积守恒方程，连续性方程和u 与v 动量守恒方程分别有： u = g = h h p 。 f = h p u h p v f竺t,d 勺 彤川 ( 1 6 ) l c , p v l 甜l 式中，= “。+ d t ，是卷吸速度，包括周边空气卷吸速度和顶部空气卷吸速度； c ，=z，是无因次曳力系数，为雷诺数的弱函数。与箱模型采用的常微分方程 。别甜1 2 不同，这些方程是一组二维偏微分方程。从数值求解的难易程度看，它介于箱模型和三 维模型之间。 z e m a l l 【1 6 1 早在1 9 8 2 年就推荐采用浅层方法模拟重气扩散，并由e r m a k 1 4 】发展为 s l a b 模型。该模型除了在高度方向进行平均化处理外，还在侧风方向上进行平均化处 理，从而简化为以下风距离为独立变量的一维模型。但在某种意义上说，它是拟三维的， 因为还要计算气云的宽度和高度。其中，气云的侧风浓度分布由相似分布加以确定，气 岛帆慨 删 删 酬 酬 ” “ ” 甜 ，j、l = e 矗 、l ， 岛 一 p g，一2 + 2 矿 l z z “ m 砌 = d 岛 一 p g + ，r 2 y v v 御 铆 伽 厅矗办办 大连理工大学硕士学位论文 云与外界大气的混合作用采用卷吸关系式进行处理。并且该模型已用各种尺度的实验进 行了验证，并在继续对卷吸模型进行改进。与箱模型开发了大量的计算机程序一样， w u r t z 1 5 1 等采用一维和二维两种浅层模型开发了计算程序软件包，可以模拟不同复杂程 度的意外泄漏释放的扩散过程。 1 2 ，6 三维有限元模型( f e m 3 ) f e m 3 模型( 3 df i n i t ee l e m e n tm o d e l ) 模型是三维有限元计算模型。该模型的原型 是1 9 7 9 年为了模拟l n g ( 液化天然气) 的突发性泄放，获得了较好的结果【挥1 ，近几年模 型发展较快，可处理毒气及可燃性气体等许多重气体的扩散，对连续源及瞬时源经过稍 加变动后都可以模拟，f e m 3 模型的主要计算公式如下【1 9 】： 掣+ = v p k m v u ) + ( p 一岛) g ( 1 7 ) v ( ) = 0 ( 1 8 ) 百c 3 t 册丁= 古( 蚂k r v t ) + 号( k r v t ( 1 9 ) 署+ u v t o = 刍( p k 国砒) ( 1 1 0 ) p m p 2 而2j 、j p 式中：u 为气体速度( m s ) ；v 为拉普拉斯微分算符；p 为气体云密度( k g m 3 ) ；r 为 通用气体常数 k g ( k m o l k ) 】；p 为扩散压力( n i n 2 ) ；m 为混合气体分子质量( k g k m 0 1 ) ； t 为混合气体温度( k ) ；k 1 ，k m ，f 分别为温度，速度，浓度的扩散系数( 耐s ) ；( i ) 为扩 散质浓度( 以百分数表示体积分数) ；m n ，m a 分别为扩散气体及空气的分子质量 ( k g k r n 0 1 ) ；g 为重力加速度( m s 2 ) ；c p ，c p n ，c p a 分别为混合气、纯扩散气体及空气的 比热 j ( k g k ) 1 】；p h 为静止空气密度( k g m 3 ) ；t 为时间( s ) 。 f e m 3 模型的公式、参数都较多，计算量也较大，模拟繁杂，但精度较好。 1 2 7 三维传递现象模型 三维传递现象模型采用计算流体力学( c f d ) 方法模拟重气扩散的三维非定常态湍 流流动过程。这种数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程( 包括质量、动量、 受限空间内气体扩散的数值模拟及分析 能量及组分等) ，结合一些初始和边界条件，运用数值计算理论和方法，实现预报真实 过程各种场的分布，以达到对扩散过程的详细描述啪1 。这种方法克服了箱及相似模型中 辨识和模拟重气下沉、空气卷吸、气云受热等物理效应时所遇到的许多问题。这种方法 具有模拟除平坦均匀地形以外更为复杂情形的能力。 随着计算机软件、硬件的快速发展和近似计算方法( 如有限元法、有限差分法等) 的 不断完善，基于数值计算的计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 方法得 到了蓬勃的发展，现已成为国内外广泛研究的热点比。目前该领域已开发的模型主要有 零方程模型、单方程模型和双方程模型等，目前使用较多的是双方程模型，该类模型有 着不同的形式如k - 、k t o 、k t 模型等，其中描述湍流动能的运输和湍流粘性系数的k 吨 模型应用尤为广泛。该模型适用于各流体湍流运动的研究，适用范围较广；同时，计算 机硬件和软件的飞速发展也使这种数值计算方法不断完善。该模型能形象准确地描述流 体的三维物理特性，其模型扩展和相关软件的开发也已成为广泛研究的热点。 1 2 8 其它模型 除了上述几种典型的泄漏扩散模型外，国内的学者也作了许多工作。 南京工业大学的将军成【2 2 】以箱模型为基础，结合其他一些重气扩散模型如虚点源模 型，对重气云团的泄漏扩散进行了数值模拟研究，并且对t h o m e yi s l a n dt r i a ln o 0 0 8 试验进行了数值模拟，得到重气云团外形尺寸( 云团半径和云团高度) 和空气卷吸量随 时间的变化关系以及下风向固定点处地面浓度最大值，并对数值模拟结果与试验值之间 的偏差进行了分析，认为该方法对重气云团泄漏扩散的模拟是可行的，该扩散模型能较 好的反应重气云团的扩散行为，并且对下风向上危险区域的划分是有利的。 大连理工大学丁信伟等人乜3 1 建立了模拟可燃及毒性气体泄漏扩散的板块模型，它将 沿下风向的扩散气体分成一个板块，并假设同一板块内气体的性质均一，然后通过质量 分析、动量分析及能量分析，列出控制方程，求解得到板块内的均一变量包括气体的浓 度、速度及温度，然后假设气体板块的浓度服从高斯分布，从而得到整个浓度场的分布。 该模型考虑了气体的重力，浮力，初始喷射速度等对扩散的影响，相对于高斯模式和 s u t t o n 模式更合理全面，并与风洞扩散实验结果进行了对比，验证了理论模型的合理性， 为泄漏事故的预防和事故发生后采取紧急预防措施提供依据。另外他们还对障碍物附近 可燃性气体的泄漏扩散进行了三维数值模拟堙4 1 ，并与h u b e r 等人所做的设置有长方体障 碍物的可燃性气体扩散风洞实验结果进行对比与分析，验证了其所建立的三维数值模拟 方法的有效性。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 华中科技大学的龙长江等人汹1 针对气体储罐完全破裂后介质在瞬间泄漏的动态扩 散过程进行了研究，他们在f i c k 扩散微分方程的基础上建立了气体扩散的三维动态扩散 模型，再限定气体储罐形状为最常见的圆柱形，确定了模型的初始条件和边界条件，通 过一定的数学变换，求出了无风、轴向风、任意风向条件下扩散方程的解析解，并用 m a t l a b 仿真模拟了某煤气储罐破裂，介质完全泄漏后的三维动态扩散过程。 在考虑与实际相关的生产与储存毒气的装置设备或输送管道在破坏性地震中有可 能发生的毒气泄漏与扩散的次生灾害的危险性方面，赵振东等人分析影响毒气泄漏与 扩散的主要条件，提出了下面3 种泄漏与扩散模型：连续稳态泄漏与扩散模型，有限期 间稳态泄漏与扩散模型，瞬时泄漏与扩散过程模型，并针对三种模型分别以氯气、二硫 化碳和氨气为例进行了数值模拟与动态仿真研究，仿真结果分别给出了三种毒气扩散的 致人死亡、严重危险和有感的区域范围。研究结果表明，以上3 种数值模型是符合实际 的，数值模拟和动态仿真结果是合理的。 江苏工业学院的邵辉、施志荣等人在试验室建立试验模型，用示踪剂法模拟研究 了气体瞬时泄漏的扩散过程并作了定性分析，初步确定了泄漏气体浓度与相关物理量的 1 、 变化关系：c = 等f i 二三l ，为进一步进行定量分析提供了科学依据。该研究成果对有 lf 针对性的建立应急救援预案，实施有效的现场控制，也具有一定的参考价值。 在对危险性气体在大气环境中的扩散过程，胡二邦等【2 9 】进行了大气扩散模式及参数 的有效性研究、污染气象的研究、环境风险的研究、核电站应急评价模式及软件的研究， 其代表性的研究成果为：中国核电厂大气弥散实验与理论研究，大气扩散模式及参数的 有效性研究，大气扩散模式及参数在环境影响评价中的应用，秦山核电厂实时剂量评价 系统的开发，6 0 0 m w 核电站放射性排出物环境弥散及其后果的研究。在c t b t 监测系 统中，放射性核素监测是其中的一项重要内容，沈姚崧等人1 2 8 】针对放射性核素在大气中 的输运问题开发了r a t r a n s 程序。该程序考虑了实际地形、地貌对放射性污染物在大 气中输运扩散的影响，根据实时的各种风场、气候潮湿程度的预报，分析放射性粒子的 沉降、放射性气体的空间分布和时间分布，预测几小时至未来数日内的放射性核素传播 的区域和数量。庄学强、熊德琪等人【2 9 】将地理信息系统应用在船运液体化学品溢漏事 故上，利用m a p i n f o 自带的二次开发工具m a p b a s i c 对船运液体化学品溢漏大气扩散模 拟系统进行开发研究，介绍了系统设计的总体结构，系统的功能模块；详细叙述了系统 的建设过程：数学模型建立，数据库建立与管理，编程语言及其关键技术。系统能连续 动态地模拟显示溢漏化学品大气扩散污染范围，为应急反应科学决策服务。另外，对地 受限空间内气体扩散的数值模拟及分析 理信息系统( g i s ) 技术进行探讨性开发研究，创新性地提出了把地理信息系统( g i s ) 组件 c o m 技术应用在水运气体化学品泄漏事故中，取得了实质性的进展。 1 3 气体泄漏扩散模拟软件的发展及应用 1 3 1气体泄漏扩散模拟软件的发展概况 基于数学模型的计算较复杂，尤其是描述复杂扩散运动的数学模型，如复杂地形、 气象等条件下的扩散。为快速、准确地计算模拟结果，需要基于数学模型相关软件的开 发。现已开发的扩散模拟软件很多，按其模拟方式不同，主要分扩散模式模拟和数值计 算模拟两大类。 扩散模拟类软件主要基于某种特定的扩散模型，如高斯模型、箱模型和浅层模型等， 根据相应模型的表达式、计算过程等编程，输入计算机，建立用户接口。用户在模拟之 前，需输入符合该模型气体泄漏的各种参数，如物质名称、泄漏速率、泄漏源高度、泄 漏源半径、坐标系、环境温度及风速等，经过计算机对输入参数的处理，计算得出模拟 结果。该类软件由于研发时间较早，应用较广泛，现在普遍应用的扩散模拟软件 i s c 3 v i e w ( 复合工业源扩散模式) 就是基于高斯模型上开发的( 具体流程图见图1 ) 1 。 还有很多常用的扩散软件，女1 ：i - t s c r e e n 、i n p u f f 、a f t o x 等也都是基于特定的模 式开发的。但由于该类软件基于特定的扩散模式，研究对象有针对性，必须假定速度和 浓度的相似分布，并假设气体在平稳、均匀湍流的理想状态下扩散，对于其他条件下的 气体扩散，尤其是复杂扩散的模拟，与理论值相比计算误差较大，因此具有一定的局限 性。 大连理j 大学硕上学位论文 匦窭壶巫圈 图1 2 扩散模拟流程( 高斯模型) f i g 12t h es i m u l a t i o n f l o w c h a r t o f d i f i s l s i o n ( g a u s s m o d e l ) 对于许多实际工况中复杂的传热和流动问题，用单一和特定的数学模型得不到解决 只有采用实验研究或近似的数值计算方法才能得到数量上的衡量。三维传递现象模型就 是在此基础上建立的，基于该模型软件开发的思想是，利用计算流体力学( c f d ) 理论，把 原来在时间、空问卜连续的物理量流场，用有限个离散点上的值的集合来近似代替，根据 所研究对象的控制方程，建立关于这些值的代数方程组，求解得到物理场的近似解。 日前，该类软件的开发技术日趋成熟，比较有代表性的c f d 软件，如f l u e n t 、c f x 和p h o n i e c s 等都己广泛应_ l l j 于工业易燃、易爆、有毒等危险性气体的扩散模拟研究。 应用数值计算方法的流体力学模拟软件能够更加精确地描述流体在大气湍流运动中的 物理现象，具有广泛的通用性，尤其模拟非均匀稳定的流场，以及有障碍物或明显地形变 化的复杂过程较为可靠。c f d 软件有其强大的优越性，但同时也有不足的地方，其不足 之处是：数值计算过程较为复杂，计算量较太，需要高性能的硬件设备，同时对于事故现 场条件的复杂性和动态变化的突发性难以精确获得仿真软件中的某些参数。 在数值模拟软件的开发及应用方面，张亚平，牛建军等人j 平用国家环保行业标准 与安全工程专业推荐的有毒气体扩散数学模型，结台电脑软件开发技术，在e x c e l 平台 开发了有毒物泄漏扩散危害后果分析系统软件t d a l0 ，功能包括地面连续点源扩散模 式、地面瞬时点源扩散模式和半球扩散模式可快速模拟预测出有毒物质泄漏后毒性气 体在空气中扩散的浓度分布和危害浓度的影响范围，并用此软件对液氯槽灌车受撞连续 受限空间内气体扩散的数值模拟及分析 泄漏事故和液氨储罐破裂瞬时泄漏的案例进行了模拟，作了危害后果分析。结论认为该 软件能迅速得到毒气扩散对点、区间、区域面危害后果的预报信息，使用简便。 华中科技大学的陈先进、齐欢、吴崇健等人口在f e m 3 ( 3 df i n i t ee l e m e n tm o d e l ， 简称f e m 3 ) 模型基础上，实现了封闭空间的气体泄漏扩散过程的三维可视化仿真。首 先利用有限元前处理软件v i z i c a d 进行有限元建模和空间剖分，取得离散几何模型数 据后，再利用m a t l a b 5 3 语言进行仿真计算和可视化显示。该方法为气体( 包括易燃、 易爆、有毒气体) 泄漏扩散仿真研究探索了一条新的途径和方法，并在科学计算可视化 方面作了一些有益的、成功的尝试。 1 3 2f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 它被广泛应用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。 f l u e n t 计算流体软件作为求解n s 方程的优秀软件，随着版本的快速更新，功 能和适用性都更加完善。借助于f l u e n t 软件所采用的诸如多种类型网格生成技术、 自适应网格技术、网格质量检查模块、几何生成的虚实结合等这些技术，它可以合理地 分配网格的数量和类型、提高复杂几何体计算区域等梯度大的地方的分辨率、方便地检 查网格质量等，这些技术在一定程度上降低了工作量，提高了计算精度。f l u e n t 软件 进行流体流动与传热的模拟计算，其基本构成如图( 1 3 ) 所示【3 2 1 。 g a m b i t 设置几何形状 生成2d 或3 d 网格 或3 d 格 f l u e n i 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 网格 界和( 或) 网格 t g f i d 2 d 三角网格 3 d 四嘶体网格 2 d 和3 d 混合网 图1 3 基本程序结构示意图 f i g 1 3 t h es t r u c t u r eo ff l u e n tp r o c e d u r e 大连理工大学硕士学位论文 它采用g a m b i t 作为专用的前处理软件，g a m b i t 包含功能较强的几何建模能力 和强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等c f d 特殊要求的高质量的网格。 g a m b i t 可以生成f l u e n t 5 6 、p o l y f l o w 等求解器所需要的网格。使用g a m b i t 软件，可大大缩短用户在c f d 应用过程中建立几何模型和流场以及划分网格所需要的 时间。用户可以直接使用g a m b i t 软件建立复杂的实体模型，也可以从主流的c a d c a e 系统中直接读入数据。g a m b i t 软件高度自动化，可生成包括结构和非结构化的网格， 也可以生成多种类型组成的混合网格。 f l u e n t 软件的核心部分是n a v i e r - s t o k e s 方程组的求解模块，可用于二维平面、 二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下的流场模拟、定常与非定常流动分析、 不可压缩流和可压缩流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反 应分析、多相流分析、固体与流体藕合传热分析、多孔介质分析等。它的湍流模型包括 代数模型、一方程模型、二方程模型、r e y n o l d s 应力方程模型、大涡模拟，1 ( - 模型， 标准壁面函数，双层近壁模型等。f l u e n t 还可以让用户定义多种边界条件，其解的计 算和显示可以通过交互式的用户界面来完成，其后处理模块具有三维显示功能来展现各 种流动特性，并能以动画功能演示非定常过程。 f l u e n t 软件使用c 语言开发完成，支持u n i x 和w i n d o w s 等多种平台，支持基 于m p i 的并行环境。f l u e n t 还提供自定义函数功能让用户定制或控制相关的计算和 输入输出，如重新设置边界条件、材料特性、f l u e n t 输运方程中的源项，解的初始化 等等。f l u e n t 以其强大的流场计算功能广泛应用于航空、汽车、透平机械，水利、电 子、建筑设计、材料加工、环境保护等领域。 在气体泄漏扩散的研究方面，f l u e n t 软件的应用也相当广泛，前面提到的对气体 泄漏扩散的数值模拟研究方面，大多都采用f l u e n t 软件，例如河北工业大学的吴晋 湘、牛坤、闰运忠等人对燃气连续性泄漏扩散规律的研究所采用的c f d 软件就是 f l u e n t 软件，华东理工大学的沈艳涛、于建国等人m 1 以t h o m e yi s l a n dt e s tt r i a l0 0 8 为实例场景，利用c f d 软件f l u e n t 6 代码建立模型对氟里昂( f r e o n l 2 ) 在大气中的 扩散过程进行了数值模拟研究。中国石油大学的杨毅峰、攀建春、张来斌等人口日采用 f l u e n t 软件对气罐泄漏进行了数值仿真，由于f l u e n t 软件可为泄漏过程制作动画， 可以使人更形象地观察介质泄漏过程。这些对于指导油气田地面装置、炼油厂、化工厂、 油库和储气加气站等有效地防灾避灾