燃油试验室内航空煤油蒸汽扩散的数值模拟

【前言】燃油试验室内航空煤油蒸汽扩散的数值模拟由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。【Abstract】In order to investigate the diffusion regularity of aviation kerosene steam in fuel lab，numerical simulation method was used to calculate the kerosene steam concentration rule in different conditions.The results show that ventilation’...

【摘 要】本文采用数值模拟方法，针对燃油试验室厂房内航空煤油蒸汽，在不同工r下，计算煤油蒸汽的浓度分布规律。结果表明：通风装置的空气流速对煤油蒸汽浓度影响较大，当空气流速为2m/s时，空间内浓度最低；空间内环境温度升高，煤油蒸汽浓度增大，当温度达闪点时，煤油蒸汽扩散加剧；厂房空间内采用底部送风的方式，能明显降低整个空间内煤油蒸汽的浓度。

【关键词】气体扩散；航空煤油；数值模拟

Numerical Simulation of Aviation Kerosene Steam Diffusion in Fuel Lab

DUAN An-peng

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In order to investigate the diffusion regularity of aviation kerosene steam in fuel lab，numerical simulation method was used to calculate the kerosene steam concentration rule in different conditions.The results show that ventilation’s air flow rate has a great influence on the kerosene steam concentration.When the air flow rate was 2m/s，the kerosene steam concentration was lowest.With the increase of space environment temperature，kerosene steam concentration increased gradually.By using the method of supply air in bottom，the kerosene steam concentration can be reduced effectively.

【Key words】Gas diffusion；Aviation kerosene；Numerical simulation

0 引言

航空煤油作为一种易挥发且易燃易爆的危险化学品，一旦发生泄漏扩散，极易破坏周围环境和造成人员伤亡，因此，分析其在燃油试验室的扩散分布规律尤为重要，同时，对于燃油试验室的安全设计及泄漏事故的应急处理具有重要的意义。

目前，对于危险化学品气体泄漏扩散过程的研究方法有三种：现场试验、风洞试验及数值模拟[1]。现场试验与真实环境更为接近，但试验成本高昂，周期长；风洞试验和现场试验类似，同样需要较高的试验成本；近些年，随着计算流体力学的发展，数值模拟在计算气体扩散方面得到了大量应用。国外学者已经提出高斯模型[2]，唯象模型[3]，FEM3模型[4]等来计算气体的泄漏扩散过程。相比之下，国内起步相对较晚，仍然处于初步阶段。目前，文献[5-8]通过数值模拟手段对开放空间中的可燃气体的泄漏扩散过程进行了计算，结果表明数值模拟的方法可以用于室外环境中的气体扩散模拟过程。文献[9-10]对受限空间内的气体泄漏过程进行了计算，得到了气体扩散后的空间分布规律。

虽然上述学者已经证明数值模拟手段可以用于各类空间中的气体扩散过程，但前人的研究对象大都为天然气，而本文研究的是航空煤油蒸汽，由于各类气体之间的物性差别较大，扩散过程各有差别，上述研究成果并不完全适用于本文的研究对象。对此，本文采用数值模拟方法对航空煤油蒸汽的扩散过程进行初步计算，并在不同空气流速、环境温度及通风方式下，分析航空煤油蒸汽在试验室空间内的浓度分布规律，并提出相应的燃油试验室安全措施建议。

1 计算方法

1.1 控制方程

本文采用非稳态方法进行计算，对航空煤油蒸汽的扩散过程采用组分输运模型，忽略化学反应。对于不涉及化学反应的单相多组分扩散问题，需求解一个连续性方程、三个动量方程、一个能量方程和一个组分输运方程，以及两个湍流量的方程[11]。其中，湍流模型采用RNG k-？着模型，对壁面采用标准壁面函数处理。控制方程采用一阶迎风格式进行离散，压力差值采用标准压力差值，耦合算法采用SIMPLEC算法。时间步长控制为0.01s，模拟时间为600s。控制方程如式1所示。

式中：Ds为组分S在空气中的扩散系数，vs为该组分的体积浓度，Ss为该组分的生产率。

1.2 工况条件

本文设置了4种不同工况，为分析空气流速的影响，保持煤油蒸汽入口速度不变，环境温度均为25℃，只改变空气流速；为分析环境温度的影响，在Case2的基础上，选取4种环境温度值。工况参数如表1所示。煤油蒸汽和空气入口采用速度入口，各出口采用压力出口。

1.3 网格划分

本文针对燃油试验室厂房（x×y×z为35m×45m×25m），将计算区域进行简化，计算区域共设置6个空气入口（1m×1m），煤油蒸汽入口（12m×13m）及混合气体出口（12m×13m）各1个，如图1所示。

在保证计算精度的情况下，为减小计算量，对计算区域采用四面体网格进行划分，并在空气入口及煤油蒸汽入口处进行局部加密处理，如图2所示。为验证网格无关性，本文进行了4种数量的网格划分，如表2所示。选择Case1的工况条件进行计算，可以得出，当网格数量增长到216万时，BCD三种网格的计算结果相差较小，如图3所示。综合考虑，本文采用C数量的网格进行计算。

2 结果分析

2.1 空气流速对煤油蒸汽浓度分布的影响

煤油蒸汽进入厂房空间后不断聚集，整个空间内的蒸汽浓度上升，出于防爆考虑，必须通过通风设施降低整个空间内的煤油蒸汽浓度。本文采用输入空气的方式来降低整个空间的煤油蒸汽浓度。为研究空气流速对煤油蒸汽浓度分布的影响，选取Z=1.8m的平面为研究对象，计算结果如图4所示。

（a）Case1（b）Case2

（c）Case3（d）Case4

从图4中可以看出，随着空气流速的增大，平面内的煤油蒸汽浓度分布逐渐降低。当工况为Case1时，空气流速为0.5m/s，平面左侧区域内含有大量的煤油蒸汽，其中靠近中心位置的浓度最高，这是由于该位置处于煤油蒸汽入口的正上方。当空气流速增大到2m/s时，整个平面内煤油蒸汽浓度处于最低水平。可以得出，向厂房内输送空气可以有效降低空间内部的煤油蒸汽浓度，使厂内更加安全。

2.2 环境温度对煤油蒸汽浓度的影响

环境温度会影响空间内的煤油蒸汽的浓度分布，一方面，航空煤油极易挥发，温度升高会加速航空煤油的挥发；另一方面，当各位置间存在温度差时，气体运动会形成对流，进而影响空间内部的煤油蒸汽的舛确植肌M时，由于航空煤油闪点（38℃）较低，易燃易爆，因此厂房内部必须防止温度过高。为此，本文选取Case2工况，在4种温度条件（25℃、30℃、35℃、40℃）下进行计算，X=17.5m的截面上的计算结果如图5所示。

（a）t=25℃（b）t=30℃

（c）t=35℃（d）t=40℃

通过图5可以看出，当环境温度为25℃时，煤油蒸汽分布较为分散，空间各位置浓度较低；当温度升高到30℃时，地面位置左侧区域煤油蒸汽浓度明显增大，这是由于该区域靠近煤油蒸汽入口，温度升高加快了煤油的挥发；当温度继续升高至35℃，从（c）中可以看出，煤油蒸汽开始向地面右侧区域蔓延；当温度升高到40℃时，很明显可以看到地面区域的浓度继续增大，尤其在入口位置，而且厂房内上层空间的煤油蒸汽浓度也逐渐增大。可以得出，环境温度的升高，使得厂房内煤油蒸汽浓度上升，扩散范围增大，当温度超过煤油蒸汽闪点温度时，影响明显。为此，在厂房内部进行试验时，应采取措施防止厂房内温度过高。

2.3 通风方式对煤油蒸汽浓度的影响

通风方式会对空间内气体流动会产生重要影响，进而影响煤油蒸汽在厂房内分布。为分析通风方式对煤油蒸汽浓度的影响，本文选取Case3的工况条件，在厂房正中心位置，选取人员活动较密集的空间（Z=0～5m）为监测区域，分别计算了三种通风口组合形式下的煤油蒸汽浓度分布状况，其中，A方式：如图2所示；B方式：在A方式的基础上，6组通风口位于该侧厂房墙壁最顶部；C方式：A方式基础上，一侧3组通风口位于该侧厂房墙壁顶部，另一侧3组通风口位置不变。计算结果如图6所示。

通过图6可以看出，3种通风方式条件下，随着高度的增加，煤油蒸汽浓度先逐渐升高，然后逐渐降低，当高度超过4m后，浓度逐渐稳定。这是由于厂房内整个空间较大，煤油蒸汽挥发速率一定，在一定时间内，煤油蒸汽只能集中在某一高度下。同时可以看出，在2m以下的空间内，煤油蒸汽浓度上升速率较快，其中B方式下浓度上升速率最高，其次是C方式，最低为A方式。这是由于B方式的通风口全部位于顶部，而煤油蒸汽入口位于厂房底部，造成绝大部分的煤油蒸汽均集中在厂房的底部，由此可见，这种方式不利于降低厂房内部煤油蒸汽的浓度。A方式的通风口全部位于厂房底部，能够及时稀释刚挥发的煤油蒸汽。当高度超过2m后，煤油浓度逐渐降低直至平稳，其中A方式下的浓度最低。这是由于，一方面，煤油挥发速率有限，随着高度增加浓度逐渐降低，另一方面，A通风方式位于煤油较为集中的区域内，对煤油蒸汽浓度具有更强的稀释作用；C方式中有部分通风口位于煤油蒸汽集中区域内，稀释作用相对A较弱；B方式作用最弱。由此可见，三种通风方式中，采用A方式能更为有效的降低人员活动密集区域空间内的煤油蒸汽浓度。

3 结论

通过对燃油试验室厂房空间内煤油蒸汽扩散进行数值模拟，得出以下结论：

1）向厂房内部输送空气能够有效降低煤油蒸汽的浓度。

2）空间内环境温度升高，煤油蒸汽浓度增大，扩散范围扩大，当温度达煤油闪点温度时，影响明显。

3）采用通风口布置在空间内底部的方式，能够有效降低空间内煤油蒸汽浓度。

根据结论，为降低燃油试验室安全风险，应采取措施防止室内环境温度过高，同时通风设施的布置位置应尽量位于厂房底部。虽然本文通过采用数值模拟方法得出了相应结论，但鉴于计算成本及周期，对燃油试验室中厂房内部结构进行了适当简化，以及忽略了设备运转发热、人员活动等因素对蒸汽扩散的影响，因此得出的仅为初步结论，之后，对于完善该方法仍然有必要进行进一步的研究。

【参考文献】

[1]王治华.受限空间内气体扩散的数值模拟及分析[D].大连理工大学，2009.

[2]Spijkelboer H.P，Beniers JE and Jaspers D，et al.Ability of the Gaussian plume model to predict and describe spore dispersal over a potato crop[J].Ecological Modeling，2002，155（1）：1-18.

[3]Hanna S.R，Strimaitis D G，Chang J.C.Report prepared by Sigma Research Corporation for AFESC[M].Washington D.C.：1990，1-324.

[4]Dyer A.J. Boundary-LayerMeteor[M].1974，68（7）：363-372.

[5]黄弘，胡啸峰，申世飞，原智宏，冈林一木，大场良二.基于Lagrangian模型与Eulerian模型耦合的建筑物周边气体扩散模拟[J].清华大学学报（自然科学版），2011（12）.

[6]马健，房春花.风速对储油罐气体扩散影响的CFD模拟方法研究[J].广东化工，2012（17）.

[7]唐秀欢，杨宁，包利红，李园园.西安脉冲堆场区放射性气体扩散CFD数值模拟[J].安全与环境学报，2014（5）.

[8]王健.埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟[J].当代化工，2015（10）.

[9]景海泳，余建星，杜尊峰，周清基，郝晓楠，龚凡明.海底管道水下气体扩散FLUENT仿真分析[J].海洋技术，2012（3）.

[10]于菲菲，王世杰，陈先锋，聂欣，张英，牛奕.受限空间泄漏孔径对气体扩散影响的模拟研究[J].安全与环境学报，2015（4）.

[11]宋贤生，刘全桢，宫宏，秦汝祥，戴广龙.大型油罐区油气扩散规律的CFD数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术，2008，4（2）： 86-90.