重气泄漏扩散过程的数值模拟研究

摘要

易燃易爆有毒有害物质的泄漏扩散在工业生产、储存以及使用运输过程中经常发生。这些物质泄漏后通常会形成比空气重的物质即重气，由于重气受到重力沉降的作用，一般都紧邻地面扩散，其危险性要高于中性气体，因此有必要对其泄漏扩散过程进行模拟研究以评价其危险性及环境风险，模拟结果同样可用于事故应急救援预案的编制和安全评价中。
　　 通过引入湿度的概念对ⅡT Heavy Gas Models加以改进，将改进后的模型用MATLAB编程并用于重气的连续和瞬时泄漏扩散现场实验中，模拟结果表明，模型的误差与ⅡT Heavy Gas Models相当，但是能更加真实的反映现场的实验环境，虽然箱模型能对重气扩散的浓度进行预测，但是其适用范围受到环境风速等因素的影响。在高风速以及低泄漏速度的情况下，箱模型所模拟的结果误差很大甚至是错误的，因此利用计算流体力学(CFD)技术对重气扩散过程进行模拟成为研究的重点。
　　 CFD技术通过建立流体基本的守恒方程结合适当的初始和边界条件加上数值计算理论来预测流体场内各状态参数的变化情况，采用CFD软件FLUENT中的标准κ-ε双方程模型对连续和瞬时泄漏的重气扩散的现场实验进行了模拟并将模拟结果与实验结果进行了比较分析，模拟结果与实验结果吻合较好。
　　 选取了不同种类的扩散模型中比较典型和常用的模型进行了比较，将4种典型的模型应用于大量的现场实验中，运用统计误差分析的方法对各模型的模拟结果进行比较表明，各模型的模拟结果普遍偏高，相比较而言，CFD模型模拟结果最为准确。
　　 为了更好的了解重气扩散的性质，分析了风速、泄漏速度以及障碍物对扩散过程的影响，结果表明各因素对重气扩散均有不同程度的影响，对于连续泄漏源在近源处的重气扩散存在分叉现象，对此现象的解释需要作进一步的分析和研究。对于瞬时泄漏源，存在一个危险风速使得重气在下风向的最大摩尔浓度达到最大值。