危險(xiǎn)物泄漏擴(kuò)散過程的重氣效應(yīng)_百度文庫

1、收稿日期:1998205211第一作者:男,33歲,在職博士生,講師國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目(No.962918201203危險(xiǎn)物泄漏擴(kuò)散過程的重氣效應(yīng)張啟平麻德賢(北京化工大學(xué)計(jì)算機(jī)系,北京,100029摘要分析了具有重氣效應(yīng)特性危險(xiǎn)物的泄漏擴(kuò)散過程,著重討論了事故泄放過程的決定因素重量作用階段的云團(tuán)行為,并給出了過程的數(shù)學(xué)模型。關(guān)鍵詞危險(xiǎn)物;泄放過程;重氣效應(yīng);數(shù)學(xué)模型分類號TQ01519引言在石化、能源等行業(yè)的大規(guī)模的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲備過程中,涉及到各類具有易燃、易爆和劇毒等危險(xiǎn)特性的產(chǎn)品及中間介質(zhì)。此類危險(xiǎn)物,在正常條件下多以氣體狀態(tài)出現(xiàn),如:甲級易爆物液態(tài)烴,極具毒性的氯、氨、一甲氨等

2、。在通常情況下,為便于存儲和運(yùn)輸,根據(jù)危險(xiǎn)物的物性,多采用常溫加壓、低溫加壓等方式,使其為液體狀態(tài)。但同時(shí)也引發(fā)了負(fù)面問題,即一旦儲存用的壓力容器發(fā)生事故泄漏,高壓液化氣體將以連續(xù)源、瞬時(shí)源的方式,迅速蒸發(fā),形成氣、液混合的低溫蒸汽云團(tuán)或云羽。在泄漏事故的初期,混合蒸汽云發(fā)生重量沉降,使其懸浮彌漫于泄漏源周圍的地表。倘若氣象條件不利或是周圍地理環(huán)境不夠平坦,蒸汽云的擴(kuò)散會很慢,局部空間的濃度急劇升高,若達(dá)到爆炸的危險(xiǎn)閾值范圍或遇意外明火,極易導(dǎo)致二次爆炸事故的發(fā)生。1998年3月發(fā)生在西安的液化氣站的泄漏爆炸事故,充分證明了泄漏擴(kuò)散過程中重氣效應(yīng)的主導(dǎo)作用。1蒸汽云的重氣效應(yīng)擴(kuò)散過程111重氣

3、效應(yīng)危險(xiǎn)物泄漏擴(kuò)散的重氣效應(yīng),包括兩方面的含義,一是由于介質(zhì)在接近其蒸發(fā)溫度時(shí),因氣相狀態(tài)的密度比空氣重所導(dǎo)致的云團(tuán)的沉降過程。二是儲存于加壓儲罐的某些介質(zhì)在其沸點(diǎn)的密度低于大氣,但由于液相介質(zhì)在接觸周圍暖空氣(20時(shí),迅速閃蒸,一部分介質(zhì)形成蒸氣,其余介質(zhì)呈現(xiàn)液體狀態(tài),以保持氣液平衡,同時(shí)相當(dāng)一部分的液態(tài)介質(zhì)以液滴的方式霧化在蒸氣介質(zhì)中。在泄放初期,形成含有液滴夾帶的混合蒸氣云團(tuán),使蒸氣密度高于空氣密度,造成云團(tuán)的重量沉降。112重氣效應(yīng)的擴(kuò)散過程具有重氣效應(yīng)的蒸氣云團(tuán)的泄放過程要經(jīng)歷如下階段:第25卷第3期1998年北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF BEI J IN G UNIVERS

4、ITY OF CHEMICAL TECHNOLO GY Vol.25,No.31998(1源模型初始狀態(tài)的建立、計(jì)算。包括基于爆炸、無源、噴射等產(chǎn)生的瞬時(shí)空氣夾帶。對重氣效應(yīng)而言,此階段在t =0時(shí)結(jié)束。(2密度差作用下的重量沉降。包括三方面的變化過程:一是重氣塌陷引起云團(tuán)徑向的尺寸增大。二是周圍風(fēng)場的動量作用于云團(tuán)加速及熱能傳遞。三是空氣的夾帶速率由云內(nèi)的密度結(jié)構(gòu)分層和徑向變化速率決定。此過程主要體現(xiàn)重量沉降的徑向作用,空氣夾帶和能量交換為輔。(3重量和大氣湍流特性迭代作用。在此階段,重量沉降結(jié)束,云團(tuán)高度開始增大,空氣夾帶起主導(dǎo)作用。(4密度差達(dá)到一定限度,云團(tuán)的高度、半徑及運(yùn)行狀態(tài)完全取

5、決于大氣湍流特性。云團(tuán)擴(kuò)散過程中的重氣效應(yīng),體現(xiàn)在湍流的抑制、密度梯度作用下的徑向重量擴(kuò)散。重氣云可以改變大氣風(fēng)場特性,形成穩(wěn)定的重氣云的層間界面,從而抑制了外部大氣湍流的滲透。圖1描述了密度分層對空氣夾帶的作用。圖中f 為混合云團(tuán)的液滴含量。這樣,云內(nèi)湍流的動能不能夠提供一定的流素,風(fēng)場的改變相對隔離了云團(tuán)與大氣流間的聯(lián)系,云團(tuán)以低于風(fēng)速的速度沿下風(fēng)向運(yùn)動。同時(shí),重量沉降具有強(qiáng)力的沖擊效應(yīng),使云團(tuán)在初始階段沿上風(fēng)向有一定的擴(kuò)展距離。如圖2所示 。圖1空氣夾帶量與密度比的關(guān)系Fig.1Density rate (c /a as a function ofmass rate of air ent

6、rained and leakage (m a /m c 圖2云團(tuán)邊沿上風(fēng)向位置與時(shí)間的關(guān)系(假定風(fēng)速為3m/s Fig.2Position of trailing edge of cloud(assuming a wind speed of 3m/s 2重氣效應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型蒸汽云團(tuán)擴(kuò)散過程重氣效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型由如下部分組成:源云團(tuán)初始狀態(tài)參數(shù)(包括初始沖淡;重量沉降;能量傳遞和空氣夾帶1。211源云團(tuán)初始狀態(tài)云團(tuán)溫度為大氣條件下泄漏介質(zhì)的沸點(diǎn);體積結(jié)構(gòu)參數(shù)有半徑和高度,由熱力學(xué)平衡方程給出;介質(zhì)、空氣質(zhì)量比取決于儲存條件及泄漏量(110120;水蒸汽含量根據(jù)大氣濕度而定,常忽略不計(jì);密度和云

7、速。212重量沉降2重氣效應(yīng)導(dǎo)致云團(tuán)在擴(kuò)散初期出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象,云團(tuán)的半徑R 、云團(tuán)的高度h 為時(shí)間的函數(shù),表示為:78第3期張啟平等:危險(xiǎn)物泄漏擴(kuò)散過程的重氣效應(yīng)d R d t =k gh -a a (1圖3云團(tuán)半徑2時(shí)間曲線Fig.3Growth of radius of slumping PU FF as a function of time式中,云內(nèi)密度;a 大氣密度;k 系數(shù);g 重力加速度。函數(shù)變化趨勢,如圖3所示。由圖3可見,R 2t 函數(shù)曲線在重量沉降階段梯度較大,而且是泄漏量的函數(shù)。相對而言,無源擴(kuò)散階段的變化率則較小。在重量沉降初期,空氣的夾帶緩慢,云團(tuán)的高度隨時(shí)間而減少。當(dāng)重

8、量效應(yīng)漸弱,空氣夾帶和云團(tuán)高度會迅速增大。如圖4所示。213空氣夾帶空氣夾帶是云團(tuán)沖淡過程,包括頂端夾帶和側(cè)面夾帶。在初始階段,頂端面積較小, 夾帶以側(cè)面為主 ,U E 為側(cè)面夾帶速度,函數(shù)關(guān)系為:圖4云團(tuán)高度h 與空氣夾帶量m 的時(shí)間函數(shù)關(guān)系Fig.4Height of cloud and mass of air entrained as a function of timed m E d t=2R h a U E ;(2U E =E d Rd t(3云團(tuán)凹陷使頂端夾帶增大,進(jìn)而主導(dǎo)夾帶狀態(tài),U T 為頂端夾帶速度,表示為:d m T d t=a R 2U T ;(4U T =u 1122+

9、Ri 1度為2(5u 1=u 3(3112-01233sp 88北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)1998Ri =g L u 21;L H r =11776H H r g 0148式中,u 1大氣湍流速度,L 云團(tuán)湍流邊長,Ri Rechard 系數(shù),u 3摩擦速度,相對密度變化率,H ,H r 云團(tuán)的高度及參考高度,sp 大氣穩(wěn)定度,1,2系數(shù),E 夾帶系數(shù)。云團(tuán)的空氣夾帶時(shí)間函數(shù):d m a d t =d m E d t +d m T d t式中,m a 云團(tuán)夾帶空氣質(zhì)量,m E 云團(tuán)側(cè)面夾帶空氣質(zhì)量,m T 云團(tuán)頂端夾帶空氣質(zhì)量。在高夾帶速度,低Ri 時(shí),夾帶速度取決于湍流速度。214能量傳遞重量云團(tuán)因其

10、沸點(diǎn)常常低于0,大多為低溫狀態(tài)。因此,在重氣效應(yīng)作用過程中,存在著熱能的交換。它包括兩部分:(1地表及相對的高溫環(huán)境對低溫云團(tuán)的熱傳遞,若云內(nèi)溫度(T 與環(huán)境溫度(T g 差為T g 時(shí),能量函數(shù)為:Q 1=g (R 2T 4/3g (6式中,g 為熱能傳遞系數(shù)。(2夾帶熱空氣的熱量帶入,對于空氣溫度(T a 相對云團(tuán)溫度(T 的溫差T a ,能量函數(shù)式:Q 2=d m a d t c p aT a (7則云團(tuán)溫度的時(shí)間函數(shù):d T d t=d m a d t c p a T a +g (R 2T 4/3g (m a c p a +m c c p c (8式中,c p a 空氣比熱容,c p

11、c 介質(zhì)比熱容。另外,基于熱力學(xué)能量守衡原理,采用工程迭代方法的模式,對云團(tuán)的能量傳遞3進(jìn)行求解。即:H T +Q =H F 。H F =m a h af +m cl h clf +m cv h cvf +m wv h wvf +m wl h wlf +m ws h ws f(9式中,H T 初始的熱量,Q 吸入熱量,H F 最終熱量,m a 空氣夾帶質(zhì)量,m cl 介質(zhì)液相質(zhì)量,m cv 介質(zhì)氣相質(zhì)量,m wv ,m wl ,m ws 水的氣相、液相、固相質(zhì)量,H af 干燥空氣的熱焓,h clf ,h cvf 介質(zhì)液相、氣相熱焓,h wlf ,h wvf ,h ws f 水的氣相、液相、固

12、相熱焓。對于混合云團(tuán)的過程溫度,應(yīng)在特征點(diǎn)處合理地界定其相應(yīng)范圍,在各溫度范圍中各物質(zhì)組分的相態(tài)唯一對應(yīng),通過數(shù)字循環(huán)迭代方式,最終得到云團(tuán)的瞬間溫度值等相關(guān)狀態(tài)參數(shù)。T 2M a /M c 曲線如圖5所示。3結(jié)束語在分析云團(tuán)重氣效應(yīng)的行為過程中,考慮了云團(tuán)的初始密度、泄漏模式、風(fēng)速、大氣98第3期張啟平等:危險(xiǎn)物泄漏擴(kuò)散過程的重氣效應(yīng)圖5云團(tuán)溫度2空氣夾帶函數(shù)關(guān)系Fig.5cloud temperature (K as a function of mass rate of air entrained and leakage (M a /M c 穩(wěn)定度、溫度等因素的影響的同時(shí),應(yīng)注意到:云內(nèi)密

13、度分層,大氣湍流作用下的空氣夾帶明顯減少;云團(tuán)在上風(fēng)向的距離擴(kuò)散。另外,在重量效應(yīng)階段,需要考慮某些危險(xiǎn)物在常態(tài)條件下與水蒸汽之間的物理和化學(xué)反應(yīng)。參考文獻(xiàn)1K aiser G D.A review of models for predicting the dis 2persion of ammonia in the atmosphere.Plant/Opera 2tions Progress ,1989,8(1:5864全科學(xué)學(xué)報(bào),1997,7(增刊:40451982E ffect of heavy gas of dangerousm aterial in diff usion proces

14、sZhang Qiping Ma Dexian(Department of Computer ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing ,100029Abstract The process of diffusion of dangerous Materials with heavy gas effect is analyzed.Emphasis is put on disscussing the main factor of accidental diffusion actions of vapor cloud during te

15、rm of gravity effect.The process mathematics model has been established.K ey w ords dangerous material ;diffusion process ;effect of heavy gas ;mathematics model (上接第85頁Dealing with Application Documents of MultipleKinds by MFCWang Xiaochuan Zhao Hengyong(Department of Computer ,Beijing University o

16、f Chemical Technology ,Beijing ,100029Abstract This article introduces the way how to deal with documents of multiple kinds in Windows and MFC (Microsoft Foundation Class based on application programs using the Vi 2sual C +language.In a report generation program ,for instance ,both data documents storing the format and contents of the report and command documents that the data are operated by are to be processed.However ,the two windows concerned are completely different from each other in external performance and internal mechanism.It is the