【摘 要】
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天然气作为一种广泛使用的气体燃料,其在储存、运输、使用过程中均存在发生意外释放的可能。一旦泄漏发生后,随着气云浓度逐渐升高至其可燃极限极易发生火灾爆炸等事故,事故如果发生在化工园区以及人员密集区域,往往会造成一系列次生灾害的发生,例如:烟尘等有毒有害物质在大气环境中的扩散。因此,掌握气态危险物质在大气环境中扩散规律对于事故防控、风险评价、和应急疏散能提供必要的指导。为掌握燃气在大气环境中的扩散规律
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天然气作为一种广泛使用的气体燃料,其在储存、运输、使用过程中均存在发生意外释放的可能。一旦泄漏发生后,随着气云浓度逐渐升高至其可燃极限极易发生火灾爆炸等事故,事故如果发生在化工园区以及人员密集区域,往往会造成一系列次生灾害的发生,例如:烟尘等有毒有害物质在大气环境中的扩散。因此,掌握气态危险物质在大气环境中扩散规律对于事故防控、风险评价、和应急疏散能提供必要的指导。为掌握燃气在大气环境中的扩散规律,本文考虑到甲烷(CH4)为多数常见燃气的主要成分,因此选用CH4作为示踪气体,并使用基于雷诺平均(RANS)方法的CFD模型Fluidyn-PANACHE对不同气象条件和建筑环境中CH4的扩散规律进行研究。本文在分析大气边界层结构、分类及湍流运动特点的基础上,基于Monin-Obukhov相似理论描述了不同类型(不稳定、中性和稳定)大气边界层近地面的大气湍流运动及温度分布特征。首先借助于风洞实验和国外Mock Urban Setting Trial(MUST)现场实验数据对Fluidyn-PANACHE模拟结果的有效性进行了验证,结果表明:Fluidyn-PANACHE对于不同稳定度条件下,平坦地形和类城市环境中的扩散模拟表现是可接受的。其次,本文分别研究了平坦、单一建筑、和规则建筑矩阵三种地形环境中CH4在不同稳定度条件下的扩散过程。并且在平坦地形扩散模拟中,考虑了三种环境风速(0.4、0.9和1.5m/s)对CH4扩散的影响。数值模拟研究表明:1.环境风速对CH4扩散有着显著影响,表现为:风速越小,1/2LFL(可燃下限)距离越大,气云分布于扩散范围越大,下风向较远距离处能保持较大的浓度峰值;风速越大时情况则相反,越有利于CH4的扩散。当大气处于低风速稳定状态时,大气扩散能力最差。2.建筑物的存在显著阻碍CH4在顺风方向的传输,并且产生的机械湍流能促进空气对CH4的稀释。在规则的建筑群内,较小街宽比时,建筑物之间会形成相互干扰的流场结构。街谷内涡旋回流的存在造成了大量CH4的滞留,虽然减小了下风向气云分布,但增大了局部浓度水平。此外,在倾斜入流风向条件下,类城市区域内近地面CH4气云朝向会发生明显的偏转。3.在不同风速和地形条件下,大气稳定度对流动和扩散的影响是不可忽略的。建筑物附近的流场结构及湍流强度在不同稳定度条件下也略有差异。稳定条件下大气湍流运动受到抑制降低了空气对污染物的稀释能力;不稳定条件下旺盛的湍流运动促进了污染物扩散,这也决定了危险气体释放后影响程度的不同。
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