风场条件下危险液化气体瞬时泄漏扩散的模拟研究

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各种危险气体常以液态形式存储在压力容器中,如果容器和管道意外失效不但会造成介质泄漏,还会引发一系列的重大灾难,导致人员中毒或气体燃烧爆炸。沸腾液体扩展蒸气云爆炸(BLEVE)是后果最为严重的一种瞬时泄漏,会发生物理爆炸伴随急速的相变膨胀并形成两相云团,对周围建筑设备和现场人员破坏作用极大,因此瞬时泄漏的研究尤其是BLEVE过程研究一直是工业安全研究的热点领域。  本文研究了瞬时泄漏过程机理,对事故原因及模式、事故的基本过程和产生的一般后果进行了讨论。以液体过热理论为基础,把泄漏形成的液滴作为重点,研究其蒸发、破碎到成为两相云团等热动力学行为,初步建立云团演化的理论模型,并以数学方程的形式反映到计算流体力学(CFD)中。在此基础上,本文选取Petttitt室内小尺度试验系统作为参照,采用CFD法构建模型,载入Freon-II液滴初始条件数据和对应模型,在欧拉一拉格朗日体系下进行非稳态计算。数值计算结果从宏观云团与微观液滴两方面分析,主要涉及云团演化过程、液滴直径和速度变化等等,并与小尺度试验结果进行对比,结果验证了本文建立的瞬时泄漏数值模型的可靠性。并且,本文还从利用数值计算结果预测了流场速度矢量变化、浓度变化和温度变化,经过理论分析进一步证明了该模型的准确性和优越性。  利用成功获得的数值模型,选择典型的工业原料液氯、液氨和LPG,模拟风场对泄漏扩散的影响,分析风速对云团演化的影响。研究结果表明,在风场下云团由最初的球体逐步变成沿水平方向拉长的椭球体,运动速度随风速增大而加快,浓度随风速增大而不断减小。云团的最低温度在扩散过程中不断减小,短暂停留一段时间后缓慢上升。液滴进入大气环境后其速度迅速下降,然后随风运动,最终其速度与风场速度一致。风场会促进液滴蒸发,风速越大,液滴群平均直径下降得也越快。  本文进一步将危险液化气体瞬时泄漏机理与CFD结合,一方面促进了CFD的应用,另一方面深化了瞬时泄漏事故后果的研究,为危险液化气体泄漏事故预防工作提供理论依据,也为今后工业安全工程奠定基础。
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