基于人工龙卷风方法控制气体储罐泄漏扩散的数值模拟

发布时间：2020-07-02 17:38

【摘要】：气态的危险化学品常采用加压或降温方式存在储罐中,然而介质腐蚀、储罐超压、操作失误等因素,极易造成泄漏事故的发生。由于储罐介质的危险特性,泄漏扩散可能引发火灾爆炸、人员中毒、环境污染等多米诺效应事故发生,使得事故后果更加严重。因此,本文主要研究,在泄漏气体储罐周围以射流相切的方式制造龙卷风风场,对储罐泄漏扩散过程进行控制,从而缩小有害气体扩散影响区域的大小,避免泄漏引发二次事故发生,同时为应急疏散、救援争取时间,这对减少人员伤亡尤为关键。本文基于FLUENT流体力学计算软件建立了人工龙卷风数值模型。通过对人工龙卷风风场特性进行分析。研究了切向速度与压强沿径向分布规律,与龙卷风风场切向速度理论分布规律一致,并且证实在开敞空间,射流相切方式能形成龙卷风风场。通过进一步研究不同涡流比与进风量对龙卷风风场控制气流强度的影响,结果表明,涡流比越大,形成的龙卷风风场最大切向速度越小,气流向中心汇聚能力越弱;进风量越大,形成的龙卷风风场最大切向速度越大,气流向中心汇聚能力越强。以广泛应用的氨气为例,分析不同条件对氨气泄漏扩散的影响。首先,分析风场的有无对不同氨气浓度扩散所影响区域的差别。无风场条件下,氨气扩散主要集中在地面附近,在距离泄漏口较远处出现了显著地向上流动。有风场条件下,泄漏气体主要集中在储罐上方,随进风口形成的旋转射流一同向上流动。扩散时间60s,浓度为30mg/m~3时,无风场条件扩散距离为82m,有风场条件扩散距离27.6m。这说明在泄漏储罐周围形成人工龙卷风风场有效的减小泄漏气体向外扩散距离。其次,分析风场的有无对同一扩散时间人员可接触高度处氨气浓度随扩散距离变化规律。结果表明,在扩散时间为60s时,对于相同的扩散距离,有风场条件下氨气浓度低于无风场条件下氨气浓度。并且,在有风场条件下氨气浓度远低于空气中最高允许浓度时,相同扩散距离处无风场氨气浓度远高于立即威胁生命或健康浓度。由此得出结论,通过射流相切的方式形成龙卷风风场,利用该风场的抽吸作用,可以减少在人员接触高度范围氨气扩散的危害。最后,本文分析了不同条件下,储罐区人工龙卷风风场对气流的控制作用。随进风角度、入流半径、泄漏速率的增加,氨气扩散范围逐渐增大,另外进风速度增大使得在储罐上部气流汇聚能力增强,但同时增加了氨气扩散速度。简言之,本文讨论了不同条件下人工龙卷风风场对气体扩散的控制作用,这对如何利用风场控制扩散具有重要意义。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ086
【图文】：

事故统计,危险化学品,泄漏事故

景与研究意义国经济高速发展，化工企业规模不断扩大，生产中所需危险化学化学品在运输、使用、储存过程中操作不当，极易造成伤害事故-2015 年危险化学品事故统计，如图 1.1 所示，危险化学品事故的占事故总数的 43.1%；爆炸事故占事故总数的 30.3%，低于泄漏应的泄漏事故不包括在其统计的泄漏事故中。造成人员死亡最多，其次为泄漏事故。研究学者[2]针对泄漏事故发生的环节进行统易引发泄漏事故发生的环节为运输环节，其次为储存环节。危险方式存在储罐中，介质腐蚀、储罐超压、操作失误等因素，极易由于储罐介质的危险特性，泄漏扩散可能引发火灾爆炸、中毒、事故，使得事故后果进一步扩大，不仅影响企业工作人员身体健。气体泄漏具有突发性，无法预估、杜绝事故的发生。事故后果的性质、储存方式、泄漏时间有极大的联系，如 2018 年 11 月泄漏事故，泄漏气体扩散到公路，遇明火发生爆炸，引发连锁反死亡人数到达 23 人。

泄漏事故,发生环

图 1.2 2010-2015 年泄漏事故发生环节统计ence link statistics for hazardous chemicals leakage accidents in China dyears发生泄漏后若不能及时控制泄漏源，泄漏物质将迅速蒸发，漏气体与空气混合受到外界环境风速、风向、温度等因素的漏量的增加，扩散范围逐渐扩大，根据储存物质其自身特性毒事故。具有毒性的气体一旦发生泄漏，随着泄漏时间的增围将会随之增加，造成的伤害范围越来越广。灾爆炸事故。可燃气体与空气混合形成爆炸性混合物，遇明度急剧上升，导致储罐内压力增加，可能造成罐体破裂。若还可能造成周围储罐发生破裂，引发更为严重的二次事故。伤事故。低温储存的气体发生泄漏，将会迅速的蒸发沸腾，温度急剧降低，可能造成周围工作人员冻伤。息事故。无毒无味不燃的气体泄漏后，使空气中氧浓度减少物质浓度逐渐增加，窒息危险区域逐渐扩大。

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