本文關(guān)鍵詞：球罐內(nèi)氣體泄漏擴散特性模擬及可燃區(qū)域預測

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【摘要】：球罐是石油、化工行業(yè)氣體介質(zhì)的主要存儲方式,一旦發(fā)生泄漏,內(nèi)部易燃、易爆或有毒的介質(zhì)極易引發(fā)事故,因此預測氣體泄漏擴散后的可燃區(qū)域?qū)嵤┚仍蜏p少損失具有重要意義�，F(xiàn)有研究采用的預測模型存在一些不足,尤其是目前廣泛使用的計算流體動力學模型,基本上將擴散問題簡化為氣體以一定速度進入計算區(qū)域,無法考慮泄漏口近場流場,無法準確描述高壓可壓縮氣體泄漏、擴散時的真實特性�；诖�,本文采用計算流體動力學方法,建立能夠綜合考慮球罐內(nèi)高壓氣體泄漏及擴散過程中泄漏口近場及擴散遠場的模擬模型,研究球罐內(nèi)天然氣的泄漏、擴散特性,通過大量模擬計算,建立甲烷氣體泄漏擴散可燃區(qū)域預測模型。 本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： (1)依據(jù)實際球罐尺度建立了高壓氣體泄漏擴散的數(shù)值模型,該模型能夠同時反應泄漏口附近流場及擴散遠場形貌。系統(tǒng)地對近場形貌的定性、定量驗證及遠場擴散尺度進行驗證,確定了模型的可靠性。 (2)利用已確定模型研究了甲烷氣體在不同泄漏狀態(tài)(臨界及亞臨界)下,泄漏口附近和擴散遠場的濃度、壓力、速度等參數(shù)的變化規(guī)律。研究表明臨界泄漏狀態(tài)下,3MPa內(nèi)壓、150mm泄漏孔徑以及無風時可燃區(qū)域最大水平距離為47.3m,最大垂直距離為10.24m,可燃區(qū)域末端產(chǎn)生“蘑菇云”形貌。泄漏口處噴射的氣體存在膨脹壓縮過程,壓力和速度發(fā)生較大的波動,形成的負壓區(qū)對周圍空氣具有卷吸效應,泄漏口附近出現(xiàn)了馬赫盤；亞臨界狀態(tài)下,可燃區(qū)域末端不存在“蘑菇云”形貌。泄漏后的流場不存在膨脹壓縮現(xiàn)象,壓力和速度不存在波動。對比發(fā)現(xiàn),臨界泄漏的可燃區(qū)域無論在橫向縱向范圍都超過亞臨界狀態(tài)。高壓甲烷發(fā)生泄漏時,數(shù)秒內(nèi)即達到穩(wěn)定,重力項對泄漏擴散的影響較小。 (3)基于以上研究得出,高壓氣體泄漏擴散的可燃氣云形狀分為柱狀穩(wěn)定射流部分和“蘑菇云”部分。定義可燃區(qū)域水平距離Lmax、可燃氣云豎直高度Hmax、和蘑菇云直徑Dmax量化可燃氣云形狀。分別研究了罐內(nèi)介質(zhì)壓力、泄漏孔大小以及風速對可燃氣云尺度參數(shù)(Lmax、Hmax、Dmax)、泄漏量、可燃氣體體積以及壓力速度的影響。研究表明,可燃區(qū)域尺度(Lmax、Hmax、Dmax)、泄漏量、可燃體積均隨介質(zhì)壓力以及泄漏孔徑呈線性增長。介質(zhì)壓力在超過一定范圍后,泄漏口附近的膨脹壓縮波系不復存在。隨著內(nèi)壓的增加馬赫盤越加明顯且馬赫波尺度增大：泄漏量與口徑大小呈二次冪函數(shù)關(guān)系�？扇俭w積與泄漏孔徑呈冪函數(shù)關(guān)系；風速對可燃濃度區(qū)域影響較為復雜,順風風速大于5m/s以及逆風風速大于10m/s時,可燃區(qū)域水平距離Lmax增大；其他風速下Lmax幾乎不變�？紤]到工程應用,風速對Hmax、Dmax的影響可以忽略。 (4)針對數(shù)值模擬所得結(jié)果,建立了甲烷氣體泄漏擴散后可燃區(qū)域的預測方法。通過對罐內(nèi)介質(zhì)壓力Pm、泄漏口直徑dv的雙重擬合以及風速影響的修正,對預測模型參數(shù)Lmax、Hmax、Dmax進行了量化,得到工程中較為合理的預測值。 綜上,模擬所得氣體泄漏擴散特性以及可燃區(qū)域的預測符合工程需要。
【關(guān)鍵詞】：泄漏擴散 高壓球形儲罐 數(shù)值模擬 蘑菇云 可燃區(qū)域預測
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TQ021.4;TQ086
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 緒論12-31
• 1.1 課題背景12-13
• 1.2 高壓氣體泄漏研究現(xiàn)狀13-20
• 1.2.1 高壓氣體泄漏的射流場13-15
• 1.2.2 高壓氣體泄漏射流的研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3 泄漏氣體的擴散規(guī)律研究20-29
• 1.3.1 氣體擴散的實驗研究20-23
• 1.3.2 氣體擴散的數(shù)值模擬23-29
• 1.4 儲罐氣體泄漏擴散的研究不足29-30
• 1.5 本文研究內(nèi)容30-31
• 2 球罐內(nèi)氣體泄漏擴散數(shù)值模型建立及驗證31-44
• 2.1 幾何及物理模型建立31-32
• 2.2 基本假設(shè)及控制方程32-34
• 2.2.1 基本假設(shè)32-33
• 2.2.2 控制方程33-34
• 2.3 物性參數(shù)34
• 2.4 邊界條件設(shè)置及參數(shù)確定34-37
• 2.4.1 邊界條件設(shè)置34-35
• 2.4.2 壓力入口邊界上參數(shù)確定35-37
• 2.5 離散格式及求解設(shè)置37
• 2.6 網(wǎng)格劃分及獨立性分析37-39
• 2.7 模型可靠性及精度驗證39-43
• 2.7.1 氣體泄漏后穩(wěn)定狀態(tài)流場39
• 2.7.2 泄漏口近場模擬結(jié)果驗證39-42
• 2.7.3 遠場氣體擴散尺度42-43
• 2.8 本章小結(jié)43-44
• 3 儲罐內(nèi)高壓氣體泄漏擴散規(guī)律44-60
• 3.1 臨界泄漏與亞臨界泄漏44
• 3.2 氣體臨界泄漏擴散規(guī)律44-52
• 3.2.1 可燃區(qū)域分布44-46
• 3.2.2 泄漏口區(qū)域壓力變化規(guī)律46-47
• 3.2.3 泄漏氣體速度變化規(guī)律47-49
• 3.2.4 有風狀態(tài)下氣體臨界泄漏擴散規(guī)律49-52
• 3.3 氣體亞臨界泄漏擴散規(guī)律52-56
• 3.3.1 可燃區(qū)域分布52-53
• 3.3.2 泄漏口區(qū)域壓力變化規(guī)律53-54
• 3.3.3 泄漏氣體速度變化規(guī)律54-55
• 3.3.4 有風狀態(tài)下氣體亞臨界泄漏擴散規(guī)律55-56
• 3.4 不同泄漏狀態(tài)可燃區(qū)域?qū)Ρ?/span>56-57
• 3.5 可燃區(qū)域隨時間的變化規(guī)律57-58
• 3.6 本章小結(jié)58-60
• 4 可燃區(qū)域的影響因素研究60-79
• 4.1 擴散后可燃區(qū)域預測模型建立60
• 4.2 介質(zhì)壓力對泄漏擴散規(guī)律的影響60-69
• 4.2.1 可燃區(qū)域尺度變化61-62
• 4.2.2 泄漏量變化62-63
• 4.2.3 可燃氣體體積變化63-67
• 4.2.4 壓力對泄漏口近場流場的影響67-69
• 4.3 泄漏口徑對泄漏擴散規(guī)律的影響69-76
• 4.3.1 可燃區(qū)域尺度變化69-71
• 4.3.2 泄漏量變化71-72
• 4.3.3 可燃氣體體積變化72-75
• 4.3.4 泄漏孔徑對泄漏口近場流場的影響75-76
• 4.4 風速對泄漏擴散規(guī)律的影響76-78
• 4.5 本章小結(jié)78-79
• 5 甲烷氣體擴散可燃區(qū)域預測79-89
• 5.1 預測方法建立的思路79
• 5.2 可燃區(qū)域尺度預測79-86
• 5.2.1 水平距離Lmax量化79-81
• 5.2.2 垂直距離Hmax量化81-82
• 5.2.3 蘑菇云直徑Dmax的量化82-84
• 5.2.4 風速對可燃區(qū)域尺度的修正84-86
• 5.3 可燃區(qū)域預測及應用86-88
• 5.3.1 可燃區(qū)域預測流程86-87
• 5.3.2 應用舉例87-88
• 5.4 本章小結(jié)88-89
• 結(jié)論89-91
• 參考文獻91-94
• 附錄A 符號說明94-95
• 致謝95-96

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1 董德斌;曹W毩，

本文編號：832923