摘　要：在液化天然氣(LNG)站場內設置噴射水幕是安全隔離、控制LNG泄漏后蒸汽云擴散和減緩事故后果的重要措施之一，然而目前對各類型水幕的減緩效果進行數(shù)值分析的成果鮮見。為此，利用計算流體力學(CFD)模型以及事故場景建模和動態(tài)模擬的方法，分別對扇形和錐形噴射水幕的下風向蒸氣云擴散的穿透過程和阻隔性能進行設置模擬和參數(shù)分析，研究了不同水流量、水幕與擴散源間距等參數(shù)對減緩性能的影響情況。結果表明：①合理設置水幕能夠將擴散安全距離減小50％以上，危害面積減小60％以上；②在同樣的水幕噴射壓力和噴射流量下，扇形水幕的阻礙效果優(yōu)于錐形水幕；③提高噴射壓力、增加水幕高度和寬度、合理設置水幕和泄漏源間距，均有利于降低蒸氣云擴散距離，有效增強被保護設施的安全性。

關鍵詞：噴射水幕  計算流體力學LNG  蒸氣云擴散  安全距離  減緩措施

CFD sinmlalion of waler spray curtain applicalion in dispersing liquefied natural gas vapor clouds

Abstract：In an LNG terminal，water spray curtain，as one of the most important mitigation methods，is applied to eliminate the hazard of LNG vapor cloud dispersion for safety concern．However，little attention has ever been paid to numerical studies on such hazard-eliminating effects of different types of water spray curtain．In this paper，Computarional Fluid Dynamics(CFD)was applied to establish time-dependent models of different accident scenarios，including the LNG vapor cloud penetrating process and curtain blocking effects of cone curtain and flat fan curtain．Parameters of water flow rate and spacing distance between the curtain and dispermon source were investigated．The results show that a．reasonable layout of spray water curtain can reduce the dispersion exclusive distance by more than 50 G and hazard area by more than 60％；b．upon the same water spray pressure and flow voIume，the flat fan curtain works better than the cone one；and c．through increasing the water spray pressure and the size of water curtain，and setting a proper distance between dispersion source and curtain，the hazard affecting the area by the LNG vapor cloud dispersion can be decreased．This study provides theoretical basis and reference for the water spray curtain design in an LNG terminal or an LNG Dlant．

Key words：water spray curtain，CFD，LNG，vapor dispersion，exclusive distance，mitigation methods

LNG常溫常壓下沸點為-161.5℃，泄漏初期，形成的蒸氣云團密度約為空氣密度的l.5倍^[1]，即“重氣”。國內外關于重氣云團擴散行為的研究較多，研究方法分為實驗研究和數(shù)學模型研究^[2]，一般認為LNG蒸氣云團擴散依據(jù)云團密度與空氣密度差異而逐漸變小，分為3個特征階段^[3-4]：重力沉降、穩(wěn)定分層和向正浮性氣體擴散轉變。常用的數(shù)學模型中，積分模型和計算流體力學(CFD)模型應用較廣^[2,5]，積分模型可作為工程應用模型確定最遠安全距離和最大危害范圍。如果擴散場景地形復雜，存在障礙物，或者存在危害減緩措施時(如積液池、噴射水幕等)，則需要使用CFD模型。

關于LNG泄漏危害減緩措施的研究，國外已經(jīng)做過一些實驗研究^[6-9]，對于數(shù)值模擬的研究比較缺乏，國內對于這方面的研究則更少。噴射水幕技術比較經(jīng)濟，實現(xiàn)比較容易，使用比較方便，被認為是處理LNG泄漏最經(jīng)濟、最有效和最具前景的應用技術。本文以CFD商業(yè)軟件FLUENT為計算平臺，研究噴射水幕作為減緩措施對LNG蒸氣云擴散的影響，對噴射水幕的設計、布置提供參考。

1　水幕特征參數(shù)分析

在LNG場站消防系統(tǒng)中，經(jīng)常會用到兩種噴射水幕，即扇形水幕(Flat Fan Spray Water Curtain)和錐形水幕(Cone Spray Water Curtain) ^[8，10](如圖l)。對于扇形噴射水幕的形成，工業(yè)中經(jīng)常采用如圖1-a的裝置，將高壓水柱噴射到金屬擋板上，水柱沿擋板上行，呈扇形或者半圓形展開，一般扇形水幕為可移動式水幕；錐形水幕則是噴頭由下向上噴出形成，呈一個倒立的錐形，一般情況下需要數(shù)個噴頭并排一起工作。

當發(fā)生LNG蒸氣云擴散時，水幕近似于一扇墻壁，一方面對風速分布有影響；另一方面，由于水幕并非致密的墻壁，高壓水通過噴頭噴射出來，形成細小霧狀液滴，直徑為580～1450mm。因此噴射水幕可以看作LNG蒸氣云穿透多孔介質。

水幕的尺寸大小與流量有關，而流量與壓力有關，壓力也會影響水幕中液滴直徑的大小，表達式如下^[11-12]：

式中q為流量，m³/ min；p為壓力，kPa；k為流量—壓力系數(shù)，與管徑大小有關；D1和D2分別對應壓力p1和p2時的液滴直徑。

以直徑0.0508m(2in)的管道為例，流量和水滴直徑隨壓力的變化關系，如圖2所示。

表l^[11-12]顯示了兩種水幕在相同壓力和管徑條件下，水幕的流量、液滴直徑以及水幕尺寸的對比，可以看出錐形水幕較扇形水幕流量少、液滴直徑小，并且水幕高度小，約兩個錐形水幕的流量等于一個扇形水幕的流量。為了將兩種水幕對LNG蒸氣云擴散的阻擋效果進行對比，可以將多個同時作用的錐形水幕近似看作矩形水幕，相鄰錐形水幕的重疊區(qū)域為自身尺寸的一半。

水幕作為障礙物能夠對LNG泄漏后的重氣擴散產(chǎn)生阻礙作用，由于水幕沿徑向或者豎直高度上的孔隙率(Void Fraction)：不同，當擴散氣體穿過水幕時，阻力系數(shù)因為孔隙率的不同而不同。當氣體穿過水幕時，主要受到兩種阻力，黏性阻力(Viscous Resistance)與慣性阻力(Inertial Resistance)，筆者采用Ergun方程^[13]對上述兩個阻力系數(shù)進行求解，表達式如下：

式中C1、C2分別為黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，e為孔隙率，Dp為平均水滴直徑，m。水幕的孔隙率沿半徑方向不是均勻的，筆者在處理孔隙率(e)時，做了3點假設：①假設扇形水幕中心點處和錐形水幕的底部孔隙率為0，阻力系數(shù)無窮大，無氣體穿過水幕；②假設在扇形水幕邊緣處和錐形水幕頂部孔隙率為l(即阻力系數(shù)為0)；③假設水幕的孔隙率沿徑向(扇形水幕)或者豎直高度(錐形水幕)呈線性關系。

2　計算流體力學模擬

筆者假設在積液池附近設有水幕，一旦發(fā)生LNG泄漏，水幕就會噴射生成，假設積液池為正方形，長度為2m，泄漏場景設計為：環(huán)境風速2m／s，環(huán)境溫度25℃，大氣穩(wěn)定度F級。

對比相同壓力、相同流量下的扇形水幕與矩形水幕，根據(jù)表1中兩種水幕的壓力和流量，兩個錐形水幕的流量與一個扇形水幕的流量近似相等，并可以近似地看成一個矩形水幕。對于上述泄漏場景下的擴散情形，分別采用扇形水幕和矩形水幕進行阻隔氣體，筆者對兩種水幕進行CFD模擬計算，計算域和網(wǎng)格劃分如圖3所示。由于計算域為對稱區(qū)域，所以為了節(jié)省計算資源，縮短計算時間，求解時僅對計算區(qū)域的一半進行計算^[14]。

在設定邊界條件時，計算域的上風向邊界定義為風速入口，下風向邊界定義為壓力出口，側風向邊界定義為0梯度邊界，即在該邊界上速度、濃度等物理量的梯度均為0，以消除側邊界對計算準確度的影響。另外，將水幕區(qū)域定義為多孔介質區(qū)域，其中慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)用式(2)進行描述，在CFD計算時，利用UDF(用戶自定義函數(shù))進行定義。

筆者CFD計算時采用的控制方程包括：連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和黏度方程，為了計算LNG蒸氣擴散的下風向距離，還需要定義組分守恒方程。

根據(jù)CFD模型計算的一般步驟，在做瞬態(tài)計算之前，首先應求解穩(wěn)態(tài)的速度場^[14]，計算結果如圖4所示，在水幕的前后均有渦旋生成，水幕的上風向側底部，有一個尺寸較小的渦旋，在水幕的下風向測，可以很清晰的觀察到，無論在豎直方向上還是水平方向上，均有渦旋生成，并且尺寸較大，豎直方向上的渦旋會將穿過水幕后的氣體向上卷吸，而水平方向上的兩側渦旋，能夠將穿過水幕的氣體向中心線處收攏，對LNG蒸氣云團擴散產(chǎn)生較大影響。

將扇形水幕、矩形水幕和無水幕3種情形進行對比(圖5)，在相同的泄漏條件和大氣條件下，LNG蒸氣云擴散的安全距離(體積濃度為2.5％的最遠擴散距離^[15])分別為13.2m(扇形水幕)和32.0m(矩形水幕)，與無水幕條件下的氣體擴散距離相比，扇形水幕將安全距離減小了83.9％，矩形水幕將安全距離減小了61.0％，就體積濃度2.5％的影響范圍而言，扇形水幕將影響范圍減小了78.4％，而矩形水幕減小了67.4％，在相同壓力、相同流量條件下，扇形水幕對LNG擴散氣體的阻擋效果優(yōu)于矩形水幕。

以穩(wěn)態(tài)速度場為初始條件，打開泄漏源，開始做瞬態(tài)計算，擴散云團與時間的依賴關系見圖6。圖6中所示為體積濃度2.5％的等濃度面，t=0時，擴散開始，并保持LNG液體在積液池內蒸發(fā)速率恒定[0.12kg／(m²·s)]?？梢杂^察到，大約t=20s時，擴散氣體已經(jīng)到達水幕位置，并開始穿越水幕，由于LNG擴散氣體的重氣效應，側風向尺寸較大，而豎直高度較小，同時，水幕的阻力系數(shù)沿徑向變化，距離中心點越遠，阻力系數(shù)越小，所以擴散氣體在穿透水幕時，先從水幕的邊緣處開始，然后從頂部開始，逐漸向水幕的噴射中心點處靠攏，隨著時間的延長(大約t＝50s時)，水幕場景下的擴散到達穩(wěn)態(tài)，并保持云團尺寸不變(該處云團尺寸指體積濃度為2.5％的等濃度面)，下風向擴散距離l3.2m，側風向擴散距離20.0m。

下面對扇形水幕的參數(shù)進行研究，包括噴水量和水幕和擴散源之間的間隔，這二者是影響水幕阻擋效果的主要因素。圖7顯示了不同水流量下，水幕對氣體擴散的影響，在相同的大氣條件下，水流量越大，形成的水幕尺寸也就越大。當扇形水幕流量為l.32m³／min，壓力1035kPa時，水幕高度為11.4m，寬度45.6m，LNG蒸發(fā)氣體下風向擴散的安全距離為8.3m。

水幕與擴散源之間的距離也會影響擴散范圍，圖8顯示了間隔距離分別為2m和5m條件下氣體擴散的情況，從模擬結果可以看出，并不是水幕距離擴散源越近，水幕的阻礙效果越好。當間隔距離為2m時，蒸氣云側風向擴散距離為22m，下風向擴散距離為15.2m；當水幕與擴散源間隔距離為5m時，下風向與側風向的擴散距離分別為9.4m與16.2m，距離增加了3m，而安全距離縮小了38.12％。這主要是因為擴散氣體在擴散源與水幕之間已經(jīng)被大氣湍流稀釋，間隔增大，則擴散氣體濃度降低程度越大，間隔2m的水幕上風向表面平均體積濃度為6.68%，而間隔5m的水幕表面平均體積濃度為2.86％。

3　結論

1)水幕的存在，一方面由于其自身的多孔效應，會增加擴散氣體的穿透阻力，將擴散氣體主要聚集在擴散源與水幕之間；另一方面，水幕也會對下風向的風速場分布產(chǎn)生影響，在下風向水平面與豎直面均會產(chǎn)生渦旋，使得擴散氣體向渦旋中心收攏。在相同壓力、相同流量條件下，扇形水幕和矩形水幕對LNG蒸氣云擴散的阻擋效果的對比，結果為：扇形水幕將安全距離減小了83.9％，矩形水幕將安全距離減小了61.0％；就體積濃度2.5％的影響范圍而言，扇形水幕將影響范圍減小了78.4％，而矩形水幕減小了67.4％，扇形水幕對LNG擴散氣體的阻擋效果比矩形水幕的效果好。

2)LNG場站在設計水幕時，應當考慮的因素包括：水流量和水幕與擴散源的間距等因素，一般情況下，為了降低危害范圍，增加水流量，能使水幕高度和寬度增加，減小LNG蒸氣云擴散的危害范圍；適當增加水幕與擴散源的間距，可以減小擴散氣體的危害范圍。

參考文獻

[1]KOOPMAN R P，ERMAK D L．Lessons learned from LNG safety research[J]．Journal of Hazardous Materials，2007，140(3)：412-428．

[2]孫標，郭開華．LNG重氣擴散安I={芝距離及影響因素[J]．天然氣工業(yè)，2010，30(7)：110-113．

SUN Biao，GUO Kaihua．Safety exclussive distance of LNG dense gas dispersion and its influencing factors[J]．Natural Gas Industry，2010，30(7)：110-113．

[3]SPICER T，HAVENS J．User¢s Guide for the DEGADIS 2.1 Dense Gas Dispersion Model[M]．Raleigh，North Carolina：U．S Environmental Protection Agency，l989．

[4]張啟平，麻德賢．危險物泄漏擴散過程的重氣效應[J]．北京化工大學學報，1 998，25(3)：86-90．

ZHANG Qiping，MA Dexian．Effect of heavy gas of dangerous material in diffusion process[J]．Journal of Beijing University of Chemical Technology，l998，25(3)：86-90．

[5]DUIJM N J，CARISSIMO B，MERCER A，et al．Development and test of an evaluation protocol for heavy gas dispersion models[J]．Journal of Hazardous Materials，l997，56(3)：273-285．

[6]RANA M A，MANNAN M S．Forced dispersion of LNG vapor with water curtain[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2010，23(6)：768-772．

[7]HAl，D K，BucHLIN J M，DANDRIEUX A，et al．Heavy gas dispersion by water spray curtains：A research methodology[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2005，18(4-6)：506-511．

[8]RANA M A，GUO Y，MANNAN M S．Use of water spray curtain to disperse LNG vapor cloudsEJ]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2010，23(1)：77-88．

[9]OLEWSKI T，NAYAK S，BASHA O，et al．Medium scale LNG-related experiments and CFD simulation of water curtain[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2011，24(6)：798-804．

[10]RANA M A，CORMIER B R，SUARDIN J A，et al．Experimental study of effective water spray curtain application in dispersing liquefied natural gas vapor clouds[J]．Process Safety Progress，2008，27(4)：345-353．

[11]BETE．Product specification catalog：Manual ll0 METRIC[R]．Greenfield，Massachusetts：BETE Fog Nozzle，Inc．，2007．

[12]Angus．Product specification sheet[R]．Oxford Shire，UK：Angus Fire Armour Limited，2005．

[13]ERGUN S．Fluid flow through packed columns[J]．Chemical Engineering Progress．1952，48(2)：89-94．

[14]ANSYS．ANSYS FLUENT theory guide[M]．Canonsburg，Pennsylvania：ANSYS Inc．，2010．

[15]NFPA 59A：Standard for the production，storage，and handling of LNG[s]．Quincy，Massachusetts：NFPA，2009．

本文作者：孫標  郭開華

作者單位：中山大學工學院