水幕稀释氨气泄漏扩散机理研究

发布时间：2018-05-22 10:48

本文选题：水幕 + 氨气泄漏　；参考：《天津大学》2015年博士论文

【摘要】：随着工业发展,氨气在化学和食品工业中用量不断增大,因氨气泄漏导致人员伤亡和财产损失的事故案例也呈逐年上升趋势。水幕作为一种有效的气体泄漏处置措施得到了高度重视,但水幕稀释氨气云团过程的作用机理尚不明晰,尤其是水幕液滴与氨气云团之间存在的质量传递机理研究尚未见文献报道。因此研究水幕在稀释氨气泄漏云团扩散过程中的作用机理,系统研究水幕关键参数对稀释效率的影响规律,构建水幕稀释氨气浓度分布预测模型,是安全工程领域研究热点问题,也是过程工业关注的重点问题,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以气液间传质的双膜理论为基础,考虑液滴吸收氨气传质特性,建立了液滴吸收氨气理论计算方程。在此基础上,采用用户自定义方式将液滴吸收氨气传质计算方程写入CFD软件中,建立了水幕稀释氨气扩散数值模型,并以Dandrieux水幕实验进行验证。结果表明:RNG k-?湍流方程比标准k-?湍流方程能更准确地模拟氨气云团自然及强制扩散行为;不考虑液滴吸收氨气的水幕稀释效率明显低于实验的水幕稀释效率,说明液滴吸收氨气对于水幕稀释效率的贡献不可忽视。本文构建的水幕稀释氨气扩散数值计算模型可以全面地反映水幕与氨气云团间的动量、热量和质量传递行为,相比之前的数值模拟研究具有一定的优越性。利用建立的数值计算模型研究氨气自然扩散及强制扩散,得到了不同风速下氨气自然扩散下风向浓度分布及水幕液滴与氨气云团的动量、热量和质量的作用规律。结果表明:氨气自然扩散的危险风速为2 sm。水幕对氨气云团的动量作用是在水幕液滴形成的屏障导致氨气云团向上和向两侧运动,水幕屏障后方存在一个旋涡回流,空气向水幕内的卷吸作用抑制了云团向下风向的运动,从而达到水幕稀释的效果;水幕对氨气云团的热量作用规律是水幕液滴温度提高了云团温度,降低云团密度,增加了云团向上和向两侧的运动趋势,降低下风向氨气浓度;水幕对氨气的质量作用规律是主要通过液滴运动轨迹的前半段的吸收作用降低气相氨气浓度。另外定量研究结果表明,液滴吸收氨气可为水幕稀释效率提供约25%的贡献。进一步通过数值模拟与实验相结合的方法研究了水幕系统的液滴温度、供水量和安装位置等关键参数对水幕稀释效果的影响规律。结果表明,较高的水幕液滴温度将热量传递给氨气泄漏云团,降低云团密度,强化了水幕的提升效应,抑制云团下风向的扩散;水幕供水流量对水幕稀释效果的影响规律是,随着供水流量增加,水幕稀释效果快速上升到一稳定值,之后不再显著提高;供水流量变化也影响液滴吸收氨气浓度和吸收总量,随供水流量的增加,液滴吸收氨气浓度和吸收总量快速增加到一最高值,之后呈减小趋势;安装距离对水幕稀释效果的影响规律是总体上稀释效果随安装距离增大而减小,但安装距离不能过小,否则可能导致具有泄漏初始动量的氨气穿过水幕间隙泄漏到下方区域。以水幕稀释氯气浓度分布预测的RED模型为基础,嵌入水幕液滴吸收氨气传质计算方程,建立了水幕稀释氨气浓度分布预测模型,并采用实验数据进行了验证。通过采用实验数据和模拟数据对建立的水幕稀释氨气浓度预测模型的评估,结果表明该预测模型可以较为准确地计算不同条件下的氨气自然及强制扩散的浓度影响区,可为氨气泄漏事故后果和水幕稀释效果预测提供了计算方法和依据。另外,采用气体泄漏后果的概率函数法计算了水幕系统供水流量和安装距离对水幕减灾效果的影响,结果表明,供水流量增大有利于减小水幕稀释后氨气浓度,但过大的流量减灾效果不再明显;水幕安装距离应该放置在氨气被动扩散的区域。本文建立的液滴吸收氨气的传质计算方程,理论上发展了水幕稀释氨气泄漏云团扩散作用机理。建立的数值模型提高了数值模拟研究的准确性,具有一定的优越性。研究结果完善了水幕稀释氨气泄漏云团中关键参数对稀释效果的影响规律,可为国内外安全领域内相关研究提供理论基础和参考数据。建立的水幕稀释氨气浓度分布预测模型,可以为计算液氨泄漏事故后果和水幕稀释氨气效果提供计算方法,提出的减灾评估方法,可为水幕稀释氨气的减灾效果的评估提供借鉴和参考。
[Abstract]:This paper studies the mechanism of water curtain dilution ammonia gas diffusion numerical model , which is based on the double membrane theory of mass transfer between water curtain and ammonia gas . The effect of water supply flow and installation distance on water curtain dilution effect is calculated by using experimental data and simulation data . The results show that the model can be used to calculate the concentration distribution of ammonia gas after dilution of ammonia gas . The results show that the model can provide theoretical basis and reference data for the effect of ammonia gas leakage accident and the effect of water curtain dilution .
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ113;TQ021.4

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