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3 泄漏物质扩散 3.1 液体扩散 （1）液池 液体泄漏后会立即扩散到地面，一直流至低洼处或人工边界（如防火堤、岸墙等），形成液池。液体泄漏出来不断蒸发，当液体蒸发速度等于泄漏速度时，液池中的液体量将维持不变。如果泄漏的液体挥发量较少，则不易形成气团。如果泄漏的是挥发性液体或低温液体，泄漏后液体蒸发量也大，会在液池上方形成蒸气云。 液体泄漏后在地面上形成液池。由于液体的自由流动特性，液池会在地面上蔓延。图2-4显示了周围不存在任何障碍物时，液池在地面上的蔓延过程。在这种情况下，液池起初是以圆形在地面上蔓延。但是，即使泄漏点周围不存在任何障碍物，液池也不会永远蔓延下去，而是存在一个最大值，即液池有一个最小厚度。对于低黏性液体，不同的地面类型，液池的最小厚度是不一样的。液池的面积和厚度与液体的泄漏速度、泄漏位置处的地面形状密切相关。  图2-4 不存在防火堤时液池蔓延过程 实际情况下，泄漏点周围都或多或少地存在着障碍物，如防火堤。如果周围存在障碍物，则液池在地面上的蔓延要复杂一些。开始阶段，液池如同周围不存在防火堤一样以圆形向周围蔓延。遇到防火堤后，液池停止径向蔓延，同时液池形状发生改变。之后，随着泄漏的不断进行，液池转而围绕储罐蔓延，直至包围整个储罐，随后液面开始上升，其蔓延的动态过程如图2-5所示。  图2-5 泄漏源周围存在防火堤时液池在地面上的蔓延示意图 （2）泄漏物质在水中的扩散 液体泄漏事故若发生在货船、岸边或穿越河流的管线上，液体危险物质在水流的作用下将呈浓度梯度向外扩散，危险物质所到之处，特别是河流的下游方向将会受到不同程度的污染。 若泄漏源是一维瞬时面源，危险物质可于较短时间内在与水流垂直的断面上完全混合，则扩散方程可表示为:  (2-18)  (2-19)  (2-20)  (2-21) 式中 x——河流下游方向上的距离，m； t——扩散时间，s； m——断面单位面积上的泄漏源强，g/m²； v——水流速度，m/s； σₓ——扩散长度尺寸，m； kₓ——纵向扩散系数； ω——河流宽度，m； h——河流深度，m； u——剪切速度，m/s； i——坡降。 若河流是宽浅型的，则泄漏源为二维瞬时线源，其扩散方程可表示为：  (2-22)  (2-23) 式中 x——河流下游方向上的距离，m； y——垂直水流方向上的扩散距离，m； t——扩散时间，s； m——泄漏源强，g/m²； v——水流速度，m/s； σₓ，σᵧ——扩散长度尺寸，m； εₓ，εᵧ——紊流扩散系数，可取为0.6hv。 3.2 气体扩散 （1）气体喷射扩散浓度分布的计算 气体喷射是指泄漏时气体从泄漏口喷出而形成的喷射。大多数情况下，气体直接喷出后，其压力高于周围环境大气压力，温度低于环境温度。如果气体泄漏能瞬时达到周围环境的温度和压力，在进行气体喷射计算时，等效喷射的孔口直径可取泄漏口孔径。 在喷射轴线上距孔口x处的气体浓度c（x）按下式计算：  (2-24) 式中 b₁，b₂——分布函数，其表达式如下： b₁=50.5+48.2ρ-9.95ρ² b₂=23+41ρ （2）气云在大气中的扩散 液体、气体泄漏后在泄漏源附近扩散。例如，在泄漏源上方形成气云，气云将在大气中进一步扩散，影响扩大区域。因此，气云在大气中的扩散成为重大事故后果分析的重要内容。 气云在大气中的扩散情况与气云自身性质有关。当气云密度小于空气密度时，气云将向上扩散而不会影响下面的人员；当气云密度大于空气密度时，气云将沿着地面扩散，给附近人员带来严重的危害。如果泄漏物质易燃、易爆，则局部空间的体积分数很容易达到燃烧、爆炸范围，且维持时间较长，增大了发生燃烧、爆炸的可能性。 根据物质泄漏后形成的气云物理性质不同，可以将描述气云扩散的模型分为重气扩散模型和非重气扩散模型两种。 ①重气扩散 a.重气扩散的分类 危险物质泄漏后会由于以下三个方面的原因而形成比空气重的气体。 （a）泄漏物质的分子量比空气大，如氯气等物质。 （b）由于储存条件或者泄漏的温度比较低，泄漏后的物质迅速闪蒸，而来不及闪蒸的液体泄漏后形成液池，其中一部分液态介质以液滴的方式雾化在蒸气介质中并达到气液平衡。因此泄漏的物质在泄放初期，形成夹带液滴的混合蒸气云团，使蒸气密度高于空气密度，如液化石油气等。 （c）由于泄漏物质与空气中的水蒸气发生化学反应，导致生成物的密度比空气大。 判断泄漏后的气体是否为重气，可以用Ri来判断，它表示质点的湍流作用导致的重力加速度变化值与高度为h的云团由于周围空气对其剪切作用而产生的加速度的比值，其表达式为：  (2-25) 式中 ρ，ρₐ——云团和空气的密度，kg/m³； v——空气对云团的剪切力产生的摩擦速度，m/s。 通常定义一个临界Ri0，当Ri超过Ri0时，即认为该扩散物质为重气。Ri0的选取具有很大的不确定性，其值一般为10。 b.重气扩散模型 （a）经典模型 经典模型即BM模型，它是根据一系列重气扩散的试验数据绘制成的图表，Hanna等对其进行了无量纲处理并拟合成解析公式，发现能与Britter和McQuaid绘制的试验曲线较好地吻合。该模型具有简单、易用的特点。 （b）一维模型 该模型主要包括用于重气瞬时泄漏的箱模型和用于连续泄漏的板块模型。重气形成后会由于重力的作用而在近地面扩散，一维模型认为其扩散过程包括重力沉降阶段、重气扩散向非重气扩散转换阶段和被动扩散阶段。 在重力沉降阶段，重气泄漏后由于其密度比周围空气的密度大，云团的顶部会由于重力的作用而下陷，从而导致云团径向尺寸增大，高度减小。 在重气扩散向非重气扩散转换阶段，云团会发生空气卷吸，空气卷吸的过程就是云团稀释冲淡的过程。空气卷吸分为顶部空气卷吸和侧面空气卷吸，总的空气卷吸质量等于两者之和。试验以及模型的预测结果表明，与顶部空气卷吸质量相比，侧面空气卷吸的质量可以忽略，在此阶段除了由于卷吸空气的进入而导致云团的体积、质量发生改变外，云团还会与周围的环境发生热量交换，从而导致云团温度的改变。 在被动扩散阶段，由于云团的密度接近或者小于空气，受浮力的影响，云团向高处扩散。判断的准则为前述的准则。此后其扩散模型可采用高斯（Gauss）模型进行计算。 （c）三维流体力学模型 该模型是基于计算流体力学（CFD）的数值方法，以N-S方程为理论依据，结合一些初始条件和边界条件，加上数值计算理论和方法，从而实现预报真实过程。该方法在原理上具有可以模拟任何复杂情况下的重气扩散过程的能力。目前CFD的数值计算方法主要是对重气扩散的湍流模拟，由于重气扩散过程发生在大气边界层内，尤其是靠近地面的底层，即近地层，而大气边界层研究的主要是湍流输送的问题，其中比较成熟的湍流模拟模型有k-ε模型，且国内外不同的学者对该模型均做过不同的修正。 c.重气扩散影响因素 影响重气扩散的因素很多，根据其泄漏的实际情况及国内外研究现状，可归纳如下。 （a）初始释放状态 初始释放状态包括泄漏物质的储存相态、储存的压力及温度、储存容器的填充程度、泄漏源在储存容器上的位置、泄漏的面积、泄漏形式（瞬时泄漏或连续泄漏）、泄漏物质的密度等，这些因素均会影响重气在大气中的扩散。 （b）环境风速与风向 风速对重气扩散的影响是复杂的，不同高度的风速是不断变化的，风速的增大会加剧重气和空气之间的传热和传质，使得重气的扩散加剧。风速越大，风对重气云团的平流输送作用越大，同时使紊流扩散作用增大，导致重气云团的浓度下降，下风向处气体浓度降低，重气与周围空气的热量交换加剧。试验结果表明，风速较大时，下风向各处气体体积分数较小；风速较小时，下风向各处气体体积分数较大。 （c）地面粗糙度 重气在扩散过程中，若遇到障碍物，风场结构会发生变化，使重气扩散情况变得复杂，特别是当泄漏源在障碍物的背风面时，由于低压会发生回流，导致重气在泄漏源附近的体积分数较高，不利于扩散。研究表明，不同类型的障碍物导致地表粗糙程度不同，对重气扩散影响也不同。 （d）空气湿度 空气湿度对扩散的影响主要表现在两个方面：一是空气湿度影响空气的密度，进而影响扩散气云转变为重气的时间；二是空气湿度影响气云与外界环境之间的热量交换。 （e）大气温度与稳定度 重气扩散过程中存在其与大气之间的热量交换，空气的温度直接影响重气云团的温度以及其转换为非重气的时间。大气稳定度与气温的垂直分布有关，不同温度层的重气云团的状态不同。一般来说，对于近地源，不稳定条件可以加速重气的扩散。 （f）地面坡度 试验结果表明，坡度对重气扩散具有重要的影响，不同的坡度对扩散的影响不同。对于顺势扩散，坡度越大，云团到达同一地点的时间越短，云团在斜面上的停留时间越短。 （g）太阳辐射 重气在扩散过程中不仅与卷吸空气和地面发生热量交换，同时太阳的热辐射也对其产生影响。太阳的热辐射影响泄漏物质的蒸发量，进而影响重气扩散时的体积分数。太阳辐射越强，蒸发量越多，重气体积分数越高，扩散所需要的时间越长。 ②非重气扩散 a.非重气扩散的定义 根据气云密度与空气密度的大小，将气云分为重气云、中性气云和轻气云三类。如果气云密度显著大于空气密度，气云将受到方向向下的重力作用，这样的气云称为重气云。如果气云密度显著小于空气密度，气云将受到方向向上的浮力作用，这样的气云称为轻气云。如果气云密度与空气密度相当，气云将不受明显的浮力作用，这样的气云称为中性气云。轻气云和中性气云统称为非重气云。 非重气云在空气中的扩散过程可用高斯模型来描述。泄漏气体或气体与空气混合后的密度接近空气密度时，重力下沉与浮力上升作用可以忽略，扩散主要是由空气的湍流决定。在假设均匀湍流场的条件下，有害物质在扩散截面的浓度分布呈高斯分布，所以称为高斯扩散。 高斯模型包括高斯烟羽模型和高斯烟团模型。烟羽模型适用于连续点源的泄漏扩散，而烟团模型适用于瞬间点源的泄漏扩散。 高斯扩散模型建立较早，模型简单，试验数据充分，应用非常广泛。在重气泄漏场合，可以先使用重气模型，当湍流扩散起主要作用时，再改用高斯扩散模型。 b.泄漏物质非重气扩散方式 物质泄漏后，会以烟羽、烟团两种方式在空气中传播、扩散，利用扩散模式可描述泄漏物质在事故发生地的扩散过程。 一般情况下，对于泄漏物质密度与空气接近的情况或经很短时间的空气稀释后即与空气接近的情况，可用图2-6所示的烟羽扩散模式描述连续泄漏物质的扩散过程，通常泄漏时间较长。图2-7所示的烟团扩散模式描述的是瞬时泄漏物质的扩散过程。瞬时泄漏源的特点是泄漏在瞬间完成。连续泄漏源包括连接在大型储罐上的管道穿孔、挠性连接器处出现的小孔或缝隙的泄漏、连续的烟囱排放等；瞬时泄漏源包括液化气体钢瓶破裂、瞬时冲料形成的事故排放、压力容器安全阀的异常启动、放空阀的瞬时错误开启等。  图2-6 物质连续泄漏形成的烟羽扩散模式 泄漏物质的最大浓度是在释放发生处（可能不在地面上）。由于有毒物质与空气的湍流混合和扩散，因此在下风方向的浓度渐低。 c.非重气扩散模式及影响因素 物质泄漏后，会以烟羽（图2-6）或烟团（图2-7）两种方式在空气中传播、扩散。 图2-7 物质瞬时泄漏形成的烟团扩散模式 众多因素影响着有毒物质在大气中的扩散，如风速、大气稳定度、地面条件（建筑物、水、树）、泄漏处离地面的高度、物质释放的初始动量和浮力等。 随着风速的增加，图2-6中的烟羽变得又长又窄；物质向下风向输送的速度变快，但是被大量空气稀释的速度也加快了。 大气稳定度与空气的垂直运动有关。白天，空气温度随着高度的增加迅速下降，促使了空气的垂直运动。夜晚，空气温度随高度的增加下降不多，导致较少的垂直运动。有时相反的现象也会发生。在相反的情况下，温度随着高度的增加而增加，导致最低限度的垂直运动。这种情况经常发生在夜间，因为热辐射导致地面迅速冷却。 大气稳定度划分为三种类型：不稳定、中性和稳定。对于不稳定的大气情况，在上午早些时候的地面吸收热量的速度大于热量散失的速度，因此，地面附近的空气温度比高处的空气温度高。这导致了大气不稳定，因此较低密度的空气位于较高密度的空气的下方。这种浮力的影响增强了大气的机械湍流。对于中性稳定度，地面上方的空气温度较高，风速增加，减弱了太阳能或日光照射的影响。空气的温度差不影响大气的机械湍流。对于稳定的大气情况，太阳加热地面的速度没有地面的冷却速度快，因此地面附近的温度比高处空气的温度低。这种情况是稳定的，因为高密度的空气位于较低密度的空气的下面。浮力的影响抑制了机械湍流。 地面条件影响地表的机械混合和随高度而变化的风速。树木和建筑物的存在加强了这种混合，而湖泊和敞开的区域则减弱了这种混合。 泄漏高度对地面浓度的影响很大。随着释放高度的增加，地面浓度降低，这是因为烟羽需要垂直扩散更长的距离，如图2-8所示。 图2-8 增加泄漏高度将降低地面浓度 泄漏物质的动量和浮力改变了泄漏的有效高度，如图2-9所示。高速喷射所具有的动量将气体带到泄漏处上方，导致更高的有效泄漏高度。如果气体密度比空气小，则泄漏的气体一开始具有浮力，并向上升高。如果密度比空气大，则泄漏的气体开始就具有沉降力，并向地面下沉。泄漏气体的温度和分子量决定了相对于空气的气体密度。对于所有气体，随着气体向下风向传播和同新鲜空气混合，最终将充分稀释，并认为具有中性浮力。此时，扩散由周围环境的湍流所支配。 图2-9 泄漏物质的初始加速度和浮力影响扩散形态 文章摘编自本书 |
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