何
莎１，２，袁宗明１，喻建胜
１，２
（１．西南石油大学，四川成都６１０５００；２．四川石油管理局安全环保质量监督检测研究院，四川广汉６１８３００）摘
要：为了研究天然气泄漏后的重气效应，从易燃易爆有毒气体的重气扩散机理和研究方法出发，具体分析了重 气云团的扩散过程，概述了国内外发展的模拟重气云团扩散的大量的数值模型和开展的大量实验，主要包括唯象模型、箱及相似模型、三维流体力学模型和浅层模型四大模型及其研究进展。最后提出了三维流体力学模型和现场数据采集相结合的方法是天然气重气效应未来的研究方向。关键词：气体泄漏；重气效应；扩散过程；扩散模型；三维流体力学模型中图分类号：ＴＥ６４２；ＴＥ６４６ 文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－４９８４（２００８）０４－０１１２－０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｈｅａｖｙｇａｓｅｆｆｅｃｔｓ
ＨＥＳｈａ１，２，ＹＵＡＮＺｏｎｇ－ｍｉｎｇ１，ＹＵＪｉａｎ－ｓｈｅｎｇ１，２
（１．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ；２．ＳａｆｅｔｙＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＱｕａｌｉｔｙＳｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅａｎｄ
ＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＮＰＣＳｉｃｈｕａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｇｕａｎｇｈａｎ６１８３００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｈｅａｖｙｇａｓｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔａｌｒｅｌｅａｓｅｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓ，ｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｅａｖｙｇａｓｃｌｏｕｄｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｈｅａｖｙｇａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｉｎｆｌａｍｍａｂｌｅａｎｄｅｘｐｌｏｓｉｖｅｔｏｘｉｃｇａｓ，ｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｆｏｒｓｉｍｕ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇａｓｌｅａｋａｇｅ；Ｈｅａｖｙｇａｓｅｆｆｅｃｔ；Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ；Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ
收稿日期：２００７－１１－０８；收到修改稿日期：２００８－０１－１５作者简介：何
莎（１９８０－），女，重庆万州人，博士，主要从事
油气储运，天然气泄漏数值模拟研究。
抗体酶第３４卷第４期２００８年７月
中国测试技术
ＣＨＩＮＡＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ＆ＴＥＳＴＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ２００８
１引言为了便于天然气的贮存和运输，多采用常温加压、低温加压等方式形成液体。虽然其气相状态的分子量远比空气小，但由于以低于大气压的沸点温度贮存，一旦泄漏，接触周围暖空气时迅速闪蒸。部分介质形成蒸汽，其余介质继续呈现液态，同时还有部分液态介质雾化形成液滴，于是形成了有液滴夹带的混合蒸汽云团。这使得蒸汽密度高于空气密度，造成重气效应。
由于天然气的泄漏造成的重气效应就会在地面附近形成薄而宽的重气云团，因此不利于危险物质的扩散、稀释、不仅严重威胁到附近的人畜，危害生态与环境，还有燃烧和爆炸的潜在危险。
２
重气扩散及模型
２．１
重气云团的扩散过程
（１）初始阶段：气云形成的初始状态，容器泄漏
时的动量将影响气云的形状及混合，外界平均风速促使气云加速和变形。
人民公社好
（２）起支配作用的是初始的惯性力和平均风速。（３）重力扩散阶段：包括重力沉降，空气卷吸，气团加热三部分。
重力沉降：初始动量消失后，重力作用使得气云降到地面，沿着地表扩展。由于云团密度大于空气密度，出现凹陷现象，引起云团径向尺寸增大而高度减小。此时起支配作用的是重力作用引起的湍流扩散。
空气卷吸：空气卷吸作用引入外界干净空气使得气云体积膨胀，同时也稀释了气云的浓度，分为顶部空气卷吸和侧面卷吸。对卷吸起支配作用的是的初始阶段云团骤降引起的内部湍流使得云团前
第３４卷第４期
端形成的涡旋场（造成侧面卷吸）和大气湍流（造成顶部空气卷吸）。
气团加热：由于初始泄漏云团其沸点常常低于０°，大多为低温状态。因此，在重气效应过程中，要考虑重气云团吸收热量。起支配作用的是温度梯度引起的对流湍流。
被动扩散阶段：随着云团的稀释冲淡，密度因为温度提高或浓度降低逐渐接近外界空气，重气效应完全消失，云团的高度、半径及其运行状态完全取决于大气湍流特性。
２．２重气云团的扩散模型
人们对天然气释放造成的重大灾害十分重视，但缺乏足够的数据提供给人们作风险评估和预防整改措施，因此采用数学模型进行模拟是必要的。目前，国外已经开发了大量的各种类型的重气扩散模型。２０世纪７０年代，ＶａｎＵｌｄｅｎ通过重气云实验认识到，对于重气释放不能采用与中性气云的扩散同样的方法进行，他第一个提出了箱模型的概念。２０世纪８０年代初期Ｂｌａｃｋｍｏｒｅ、Ｗｈｅａｔｌｙ和Ｗｅｂｂｅｒ对重气扩散模型进行了较全面的综述。２０世纪９０年代，Ｈａｎｎａ和Ｄｒｉｖａｓ对箱模型做了详细的探讨。目前用于研究重气的模型主要有四类：
影子系统（１）唯象模型：是指通过一系列图标或者简单关系式来描述扩散行为的模型。Ｂｒｉｔｔｅｒｈ和ＭｃＱｕａｉｄ在他们的重气扩散手册中推荐了一套简单而实用的方程式和列线图，称之为ＢＭ模型。他们收集许多重气扩散试验室和现场试验研究的结果，以无因次的形式将数据连线并绘制成与数据匹配的曲线或列线图。以源理查德数为横轴，无因次距离为纵轴，将各种Ｃｍ／Ｃ０（Ｃｍ，Ｃ０
分别为气云横断面上的平均浓度、初始浓度）试验数据绘制成图，即可以在图中查到需要的浓度。
这些关系能很好地用于重气的瞬时或连续释放的地面面源或体源，对喷射或二相释放的近源区不适合。并且该模型属于经验模型，外延性较差，只能用于后果分析的粗略估算。
德国的ＶＤＩ模型采用了与ＢＭ模型相类似的处理方法。
（２）箱及相似模型：箱及相似模型是指假定浓度、温度和其它场，在任何下风横截面处为矩形或相似分布（如高斯分布）等简单分布，这里的矩形分布是指在某些空间范围内场是均匀的，而在其它地方为零。这类模型预报气云的总体特征，如平均半径、平均高度和平均气云温度，而不考虑其在空间上的细节特
征。重气效应消失后，其行为表现为被动的气体扩散，所以这类模型还包括被动扩散的高斯模型及对它的修正。
箱及相似模型具有概念清晰，计算量小等特点，特别适合于危险评价，已经成为应急咨询、应急措施和其他决策的重要组成部分。但模型自身存在固有的局限性，即必须假定速度和浓度的相似分布，并且通常涉及不连续面，具有很大的不确定性。
针对瞬时释放，ＶａｎＵｌｄｅｎ将重气云团当作一个圆柱形箱，与被动扩散的高斯模型相比，考虑
广西北部湾新闻了重气的重力下沉现象。针对连续释放，Ｊａｇｇｅｒ开发了相应的烟流模型ＣＲＵＮＣＨ。比利时Ｄｅｌｖｏｓａｌｌｅ等人开发的计算机模型和Ｍｏｈａｎ等人的ＩＩＴ计算机模型，以箱模型为基础，用数值积分的方法可以分别计算瞬时和连续释放的重气扩散情形。相似模型是对箱模型概念的扩展，考虑了气云内部浓度和速度的分布，并采用了湍流扩散系数而非卷吸速度的方法。例如ＨＥＧＡＤＡＳ模型和以ＨＥＧＡＤＡＳ为基础开发ＤＥＧＡＤＥＩＳ模型。南京工业大学的蒋军成，潘旭海在箱型模型的基础上，结合虚点源模型，建立了一种新型的描述重气泄漏扩散过程的模型—ＬＴＡ－ＨＧＤＡ（层流及湍流大气环境中的重气扩散模型）。
（３）三维流体力学模型：三维流体力学模型采用计算流体力学方法模拟重气扩散的三维非定常湍流流动过程。该方法是通过对由基本守恒方程（包括质量、动量、能量及组分等），初始条件和边界条件组成的数学模型，运用数值方法求解，以获得扩散过程中各种场的分布，如流场、温度场、浓度场等，进而描述重气在湍流中扩散的整个过程。
用这种方法克服了箱及相似模型中的不确定性和模拟重气下沉、空气卷吸、气云的受热等各种物理效应时遇到的许多问题。另外，该方法具有模拟有障碍物和明显复杂地形的能力。但模拟方法比较复杂，求解困难，需用较多的计算机机时，随着计算机速度的不断提高，该模型可以得到进一步的完善。
以Ｊ．Ｇ．Ｂａｒｔｚｉｓ为代表的ＡＤＲＥＡ－ＨＦ模型，采用了一方程模式以及有限体积的方法模拟了障碍物情况下的重气扩散模拟，以ＰｅｔｅｒＪＳｈｏｐｏｖ为代表的ＤＩＳＣＯ模型在水平方向采用了零方程模式，而垂直方向的扩撒系数采用经验公式进行求取。Ｓ．Ｔ．Ｃｈａｎ的ＦＥＭ３系列模型，是由迦辽金法改进而来的三维有限元计算模型。它比较全面地研究了重气扩散过程的各个方面，并通过大量试验对ＦＥＭ３模型进行了验证，适用于处理连续源泄放及有限时间的泄
何莎等：重气效应研究进展１１３
中国测试技术２００８年７月
放，但计算量较大。
（４）潜层模型：该模型是基于潜层理论推广得到的浅水近似。在海洋学和气象学领域有着悠久的历史，很适合重气扩散。在复杂性方面介于箱模型与三维流体力学模型之间。
潜层模型兼顾了箱模型与三维流体力学模型的优点，部分地克服了它们的缺点，目前还不成熟。
Ｚｅｒｍａｎ的潜层模型，后来由Ｅｒｍａｋ等发展为ＳＬＡＢ模型，是以下风距离为独立变量的一维模型。Ｗｕｒｔｚ等开发了一维和二维两种潜层模型，运用于不同复杂程度的泄漏情形。
３结束语
目前国内外针对易燃易爆有毒气体泄漏的重气效应开展了一系列的研究工作，发展了多种模拟重气效应的扩散模型，并得到了广泛应用。但是专门针对天然气运输和贮存过程中的泄漏及后续发展的研究工作很少见到。近年来，随着天然气泄漏事故的增多，给人民生命财产和社会造成了不可估量的损失。所以从了解重气扩散机理及其研究方法出发，结合天然气泄漏扩散的具体情况展开讨论，是我们要积极开展的工作。
（１）三维流体力学模型能够较好地描述大气的湍流现象，具有广泛的通用性，对于复杂的扩散过程较为可靠。考虑运用三维流体力学模型处理天然气泄漏事故。但是原始资料的缺乏，和事故现场难以采集数据等多种困难，使得我们对复杂真实体系的流动过程本质还了解得不够，完全准确的湍流模型还难于建立。
（２）用更精细的数值方法完善模型。由于三维模型本身复杂，计算量大，很多时候采用了较大的网格划分并且做了不少简化和假设，不能与现实有较好的吻合。计算机技术的发展使得计算量已经不可能成为束缚仿真模拟的瓶颈，可以进一步缩小网格和发展代数应力模型。
（３）用现场数据完善模型。事故过程模拟技术具有很好的应用背景，但事故过程的复杂性、随机性和不确定性使模拟或仿真得到的结果与实际有很大的差异。可以借助传感器、微电子器件及高稳定性的数字传输技术较为精确地确定各种影响。
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河南省政法管理干部学院
参考文献
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