用于预测远场扩散风险的等效名义喷管模型开发

《Process Safety and Environmental Protection》：Development of an Equivalent Notional Nozzle Model for Predicting Far-Field Diffusion Risk

　　

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  将等效虚拟喷嘴模型扩展至横风条件下远场CO?扩散
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  通过风洞实验和RANS数值模拟，量化了喷嘴直径、压力比（NPR）和风速的影响
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  提出了最不利风速判据和三级应急分区框架
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  经验证了用于快速估算危险距离的简化经验关联式

引言

近年来，石化安全研究将重点放在了高压有毒气体泄漏所引发的危害后果上。风洞试验是一种成熟可靠的危险扩散分析工具，能够在可控条件下再现大气边界层和按比例缩小的泄漏源。对于工业高压泄漏场景，通常首选边界层风洞。然而，将其应用于高喷管压力比（NPR）泄漏时，暴露出了一些固有局限性。

（1）现有研究很少关注石化高NPR条件下的浓度分布；大多数研究仅提供针对过度简化的等效源的经验关联式，而未建立适用于大几何比例条件下高压释放缩放的严格相似准则（Snyder, 1990, Moscatello et al., 2020; Yassin, 2022）。尽管已有大量风洞研究考察了化学泄漏的一般特性或城市浓气扩散（Janour et al., 2010, Pesic et al., 2016, Mo and Liu, 2018），但针对最不利炼油厂泄漏场景的系统定量风险评估框架仍然匮乏（Kalantarnia et al., 2010）。（2）根据几何相似和动力相似原理，在大比例条件下重现近地面湍流极其困难；垂直高压释放的直接实验往往导致气云穿透风洞边界层，从而无法获得正确的稳态浓度场。（3）不同的等效喷嘴模型和边界条件已被证明会显著改变气云演化过程，在预测稳态浓度场时引入较大误差（Hotz and Haas, 2023, Birch et al., 1984, Birch et al., 1987; Kaidi L, 2019; Li, 2021; Jiang et al., 2021），从而影响安全距离的估算。

准确的源项表征对于后果评估至关重要。Luo等人（2024）开发了一种适用于液态CO?释放的源模型，考虑了干冰形成过程，但该模型仅适用于液态CO?，且依赖于经验关联式，限制了其在气体高压释放及大几何比例缩放条件下的适用性，而后者更能代表石化过程故障的典型情况。从根本上说，传统的虚拟喷嘴框架将射流流动与大气稀释分为独立模块处理，从而引入累积数值误差（Ding et al., 2020）。过度简化的边界假设进一步影响了危险范围的估算。

为克服上述挑战，我们研究团队此前针对高NPR泄漏场景开发了一种等效虚拟喷嘴模型（Jiang et al., 2024）。该模型通过数值模拟和粒子图像测速（PIV）实验进行了验证，特别关注了石化设施典型意外释放条件下（滞止压力 > 0.1 MPa）近场射流区域的激波结构和速度场。该模型为欠膨胀射流从喷嘴出口到马赫盘再到被动大气扩散起始位置的物理一致表征提供了可能，实现了近场源动力学与远场扩散预测的无缝集成。

需要澄清本研究与我们先前的发表成果（Jiang et al., 2024）之间的区别。之前的研究仅聚焦于近场现象：利用PIV实验在距喷嘴140 mm的范围内，对激波结构和速度场下的等效虚拟喷嘴模型进行了开发和验证。本文则将同一模型扩展至横风条件下的远场浓度预测，这是此前未涉及的研究领域。

基于先前的工作，本研究涵盖以下内容：（1）风洞实验和数值模拟，用于验证等效虚拟喷嘴模型在远场浓度分布方面的适用性，有效消除了大气边界层风洞中高NPR泄漏实验固有的物理局限性；（2）系统分析喷嘴直径、NPR和环境风速对浓度范围的影响，并开发经验公式以估算危险距离；以及（3）提出了一种整合浓度–风速比的新安全风险评估框架，用于量化最不利风速和最大危险半径，弥补了被动扩散阶段建模的关键空白。

通过提供经验证的模型和量化的危险半径算法，本研究直接支持了过程安全工程中的关键活动，包括应急预案设计、传感器布设优化以及高压设施更可靠的定量风险评估。

章节摘要

方法论

在先前高压射流建模和PIV研究的基础上，本研究针对CO?射流设计了按比例缩小的大气边界层风洞实验（Jiang X, et al., 2024）。如前所述，高压射流在喷嘴附近分为核心区区和剪切层；本工作聚焦于自由射流到被动扩散的过渡过程及远场行为（图1）。实验采用0.4 MPa的CO?射流，在大规模条件下验证该模型的工程可靠性。

数值设置

轴对称RANS

高NPR泄漏分布规律的表现

CO?在常温常压下不燃且无毒，但浓度超过2%时会导致头痛和呼吸困难（Liu et al., 2014）。基于我们在先前研究中建立的虚拟喷嘴模型，本研究特别关注马赫盘之后动能耗散为零的过程，以及CO?气云通过卷吸周围环境空气进行被动扩散的过程。通过定量捕捉此类动态混合与扩散过程，浓度场

结论

本工作搭建了一套专用的高压CO?射流实验平台，并开展了大气边界层风洞试验，以验证我们此前研究中提出的等效虚拟喷嘴模型。该模型针对高喷管压力比（NPR）泄漏事故——这是石化压力管道和储存设施最常见的最大可信危害场景，实现了近场激波结构和远场的

数据声明

支持本研究结果的数据可向通讯作者提出合理请求后获取。本研究未使用公开存档数据集。

未引用参考文献

(Ewan and Moodie, 1986, Li et al., 2021, Zhang et al., 2022)

CRediT作者贡献声明

蒋学（Xue Jiang）：撰写 – 原稿撰写。曹琪（Qi Cao）：获取资金。杨哲（Zhe Yang）：方法论。葛春涛（Chuntao Ge）：监督指导。许传宝（Chuanbao Xu）：软件。何春华（Chunhong He）：验证。牟云涛（Yuntao Mu）：项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

蒋学（Xue Jiang）| 杨哲（Zhe Yang）| 曹琪（Qi Cao）| 许传宝（Chuanbao Xu）| 葛春涛（Chuntao Ge）| 牟云涛（Yuntao Mu）| 何春华（Chunhong He）