气体释放源的三维瞬态重气扩散模型及数值研究

【摘要】：现代工业大量生产和使用有毒的、易燃的或易爆的危险物质。如果发生意外泄漏事故，其中的一些物质往往形成比空气重的气云，即所谓的重气云。重气云经常在地面附近形成，在靠近工厂的人口密集区扩散，造成巨大的危害，因此有必要对危险物质释放到环境中所造成的后果进行定量风险评价。目前可提供人们作风险评价及预防改善措施的有效数据是非常有限的，而基于CFD方法的三维传递现象模型能很好地描述重气在大气湍流运动中的物理现象，具有广泛的通用性。因此本文应用CFD方法，利用自编程序，在计算机上采用数值模拟方法研究了重气在大气中的扩散过程，以便为风险评价和预防措施的改进提供必要的理论依据。 本文针对气体释放源提出了释放气体在大气中输运与扩散的控制微分方程，采用浮力修正的κ-ε方程湍流模型，并运用控制容积法离散化方程，用SIMPLE方法对离散化方程进行求解。 为验证模型的准确性以及计算程序的正确性，文中以Thorney ISland Phase I Trial 008瞬时释放试验为背景进行了数值模拟，能直观地给出重气云在大气中扩散的重力下沉、空气卷吸、涡旋产生等一系列现象，给出了不同时刻的释放气体浓度和速度分量的空间分布，特别是对测量点的数值模拟结果与实验结果符合较好，这说明本文提出的模型和算法是可行的。 为进一步研究重气连续性释放的扩散过程，文中分别对重气竖直向上和水平向下风方向连续喷射过程进行了数值模拟研究。在此基础上，对影响重气扩散过程的重要参数，包括大气风速、释放气体密度和释放速率等对扩散过程的影响进行较详细的研究，得到了一些有益的结果。