摘 要

槽罐车是一种比较常见危化品运输工具，相比较它为需求者带来的便捷，大家更希望它能在安全的前提下带来利益。液氨属于有毒有害物质，一旦发生泄露事故，液氨将直接汽化并在空气中扩散。如果不及时采取措施，氨气就会在无干预情况下扩散，且会随着风、风向、温度等气象条件以及泄露速度和地势的变化而造成不同的后果。

为了分析研究液氨槽罐车在高速公路发生液氨泄漏事故的后果，本文利用Gambit建立了液氨泄露扩散的物理模型，运用ICEM-CFD软件进行网格划分，采用计算流体动力学（CFD）软件Fluent建立了液氨泄露扩散过程的数值模型并研究泄漏速度、风速、风向对氨气浓度分布的影响。最后分析了不同工况下氨气危险性区域的分布情况。结果表明：泄漏速度越大，氨气扩散的范围以及危险性区域也越大。泄漏速度相同时，如果风向与泄露方向相同，有风情况下氨气的危险性区域更大。而且，当泄漏一段时间后，风向发生变化时，危险性区域也会发生明显变化。当风向与泄漏方向相同时，瞬时死亡区最大；风向为东偏北30度时，瞬时死亡区最小，但是此时重度损伤区最大。

关键词：计算流体动力学 氨气 泄露扩散 风向 危险区域

ABSTRACT

Tanker is a relatively common dangerous goods transport tool, compared to it for the convenience of demand, we hope that it can bring benefits in the premise of security. Liquid ammonia is a toxic and hazardous substances, in the event of a leak accident, liquid ammonia will be directly vaporized and spread in the air. If you do not take timely measures, ammonia will spread in the absence of intervention, and with the wind, wind, temperature and other weather conditions and the leakage rate and changes in the terrain caused by different consequences.
In order to analyze the consequences of liquid ammonia tanker leakage in the expressway, this paper uses Gambit to establish the physical model of liquid ammonia leakage and diffusion. The ICEM-CFD software is used for meshing, and the computational fluid dynamics (CFD) software Fluent established a numerical model for the diffusion process of liquid ammonia and studied the influence of leakage velocity, wind speed and wind direction on ammonia concentration distribution. Finally, the distribution of ammonia risk region under different working conditions was analyzed. The results show that the larger the leaking rate, the larger the range of ammonia diffusion and the larger the risk area. Leakage rate is the same, if the wind direction and the same direction of leakage, there are wind conditions, the greater the risk of ammonia. Moreover, when the wind leakage occurs after a period of time, the risk area will also change significantly. When the wind direction is the same as the leakage direction, the instantaneous death zone is the largest. When the wind direction is 30 degrees northerly, the instantaneous death zone is the smallest, but the severe damage area is the largest.

Key Words: Computational Fluid Dynamics; ammonia; leakage and dispersion; wind direction; hazardous area

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 本课题的主要研究内容 3

第二章 气体扩散模型 4

2.1 高斯模型 4

2.2 箱模型 4

2.3 Sutton模型 5

2.4 BM模型 6

2.5 浅层模型 6

2.6 FEM 3 模型 7

第三章 数值计算方法 9

3.1 概述 9

3.2 基本控制方程 9

3.2.1 连续性方程 9

3.2.2 动量守恒方程 9

3.2.3 能量守恒方程 10

3.2.4 组分质量守恒方程 10

3.3标准k-ε模型 11

3.4 PISO算法 12

3.5 本章小结 12

第四章 液氨槽罐车泄漏数值模拟 13

4.1 数值模拟 13

4.1.1 物理模型 13

4.1.2 计算条件 14

4.1.3 网格划分 15

4.2 影响因素 15

4.2.1 泄漏速率 16

4.2.2 风速 17

4.2.3 风向 19

4.3 本章小结 21

第五章 液氨槽罐车泄漏后果分析 22

5.1 氨气的危险阈值 22

5.2 氨气的危险性区域 23

5.2.1 泄漏速率 23

5.2.2 风速 24

5.2.3 风向 25

5.3 氨气泄漏应急处置 28

5.4 本章小结 29

第六章 总结与展望 30

6.1总结 30

6.2展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1 研究背景

液氨是一种无色液体，密度为0.617g/cm³，沸点为－33.5℃，极易汽化。液氨在工业中主要用于生产一些化学肥料，此外，在农业生产和医疗救治中也可作为原料。而且，在国防工业中，液氨也用于火箭、导弹的推进剂。纵观液氨工业多年的发展，液氨事故的频频发生引起社会对其安全的关注。根据王志鹏^[1]统计的数据显示，近三十年期间，我国化工行业中发生严重泄漏事故共有五十多起，综合各方面的分析，其中按照危害程度排列的危险化学品依次为：氯气、氨气、氯乙烯、液化石油气、苯、一甲氮、硫化氢和一氧化碳。近年来，世界上发生了许多氨泄漏事故。泄漏的氨可能与空气混合形成爆炸性混合物而发生爆炸，而且，氨气具有毒性。所以，液氨泄漏事故可能造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，液氨泄漏之后要采取适当和有效的应急措施，尽快降低空间中的氨浓度。

大量事实表明，危化品泄露所带来的后果是灾难性的，槽罐车属于移动危险源若发生事故进而引发泄露，这种突发性的灾难所引发的后果更是无法想象。例如：2012年7月1日晚,一辆载有25吨液氨的槽罐车行驶至安徽省206国道桐城市范岗镇时发生翻车事故，造成车体严重变形，罐车阀门发生泄漏。2007年12月8日上午10时20分,一辆载着12名乘客的客车行驶至江苏336省道海门市三厂路段时，与前方一辆南通牌照的载有22吨液氨的运输车相撞，槽罐车侧翻后，罐体出现裂口造成液氨泄漏。由于氨气具有可燃、易爆等危险特性，液氨泄露可能伴随的爆炸的发生，因此研究槽罐车液氨泄漏，了解氨气浓度分布情况能在发生事故后提供科学的数据可行的救援方案提供有效帮助。因此，对液氨槽罐车的泄露进行模拟研究很有必要。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

为了加深对液氨泄漏事故的认识，提出切实有效的防治手段，学者们对液氨泄漏开展了一些研究。胡德栋^[2]等人以氨合成工段为研究对象，利用高斯烟团模型对重要工段氨泄露进行了模拟，考虑到静风和有风所形成的危害半径和危害距离的影响，可由高斯烟团模型得出，估算出氨合成工段氨泄漏危害半径除了与氨产量有关外，还与是否有风以及风速大小有关。邹一风^[3]等人对不同浓度下的液氨泄漏定位进行了模拟，通过简化后的气体扩散高斯模型检测空气中的氨气浓度，并对泄漏源定位，结果表明增加氨气传感器的数量可降低定位误差，提高救援抢险效率。王家见^[4]等人以液氨存储设施为研究对象，选用SAFETI软件进行泄露模拟，模拟结果为可以在工业应用中的安全化生产和管理提供参考数据。结果表明，在出现这些现象的时候，及时的判断出是液氨泄露，然后采取了相应的措施，就会减少事故的发生。泄漏事故是人人都想避免的，面对这种突发性的事故，郭斌等人针对预防事故发生而设置的疏散方向和应急体系进行了研究，结果可以为减轻事故后果提供指导。沈利明^[5]等人以50m³液氨贮罐为研究对象，假设储罐破裂或小面积泄漏，计算了蒸发量和扩散后过，得出了泄露后氨气的分布情况，为减少事故所带来的人员伤亡和财产损失提供理论依据。李高艳、业成、支有冉^[6]等以液氨储罐为研究对象，选用高斯烟羽模型对厂区液氨储罐泄露进行模拟，总结了不同条件下氨气的变化规律，重点研究风速与氨气扩散的汇率，通过模拟所得出的数据，根据厂区实际情况，制定了事故发生后的紧急疏散方针，为救援活动提供参考。夏登友、钱新明、黄金印、潘法宽^[7-8]等人以液氨为研究对象，在高斯烟羽模式的基础上建立了泄漏扩散模型，模拟结果展示了氨气也泄露后的分布情况，文中对浓度场分布和疏散区的划分展开了分析，对营救措施的顺利进行有指导作用。华敏、潘旭海、李志红^[9-10]等采用MATLAB数值分析方法,针对不同的泄漏扩散事故,分别基于ERPG(Emergency Response Planning Guidelines)和国内评价标准对应急区域和事故后果影响区域的划分进行了分析。同时，通过计算得出了位于泄漏处下风向造成人员伤害的分布图和造成人员死亡区域图。饶国宁，陈网桦，胡毅亭^[11]等人以存放量为20m³的液氨储罐为研究对象，在向另外一个存放量为18.2m³的液氨槽车填充的时候，因为车载的金属软管发生了破裂来引发的泄漏，研究人员先计算出了泄漏的质量，再选用高斯扩散模式来分析泄露发生后物质的分布规律；最后得出结论；当有一个大小为3.0m·s^-1的风时，在与风向相同的方向液氨可以扩散到距离泄漏点风向73.1m的地方。在外界条件稳定的情况下，该方向的浓度场分布最远处离泄漏点最远为200.7m，在此区域里内人员停留时间超过5分钟时将会危及生命。祁延军、缪国平、杨涛^[12-14]等人选用了MAPLE软件，根据实际情况选取了适合的模型，针对在车辆上的不同地方发生泄漏和泄露口的形态面积，车辆行驶时的状况，是否有风，选用的何种中间物质运输和其他各方面对泄露的影响。选择了高斯烟羽和烟团模型来针对当时的状况进行分析，同时还用了蒸气云爆炸模型对可能发生的爆炸事故所造成的伤害也展开了研究。

1.2.2 国外研究现状

以氨气为代表的危险气体和别的危化品的泄漏事故同时也得到了许多国外学者的关注。Galeev^[15]等提出了估算液氨瞬时泄漏毒性影响区域的数学模型，利用FLUENT 软件对液氨瞬时释放的毒性影响区域进行模拟，分别考虑了风速和障碍物对毒性影响区域特性的影响。Marco Pontiggia^[16]等人采用CFD模型根据研究对象的实际地理位置验证其是否能真实地预测拥挤环境中大量LPG泄漏扩散规律，结果显示，这种数值模拟方法可对复杂环境下大量LPG气体泄漏扩散影响进行有效的预测。Steven R. Hanna^[17]等人尝试确定用一个CFD模型（FLACS）来模拟在计算区域有诸多阻碍物（建筑物）地区范围里的轨道上氯储罐车发生事故性泄漏扩散的情况，并以此预测羽流扩散的中性浓度。Pullen^[18]等人利用FAST3D-CT与离斯烟羽模型结合的方法对华盛顿和芝加哥小部分区域内污染物扩散进行了模拟预测。

1.3 本课题的主要研究内容

(1) 总结和归纳泄漏扩散的相关规律和影响因素，对其进行初步的研究分析；

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