设计与评价提供理论基础。
关键词：CFD方法；数值模拟；气体扩散
中图分类号：X 701 文献标志码： A
Numerical simulation of harmful gas leak and diffusion in the cabin
JIA Hai-jun1，LIU Xiao-feng1，LIU Ying-wen2，CHAI Wei-li1，
ZHANG Wei1，LI Yi1，WU Ya-nan1，WANG Xue-you1
（1.Institute for Hygiene of Ordnance Industry，Xi’an 710065，China；
2.School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）Abstract：In order to study the process of harmful gas leakage in the cabin and reduce harmful gases to passengers，the numerical simulation method is established using the CFD method based on Navier-Stokes equation and RNG k-ε turbulence model.And the harmful gas released from a fixed point source in a cabin are simulated as an example，the distribution of harmful gas components and the information of the gas leak and diffusion laws in the cabin are obtained.The results showed that，this method can capture harmful gas motion and concentration change with time in cabin，and provide theoretical basis for control method design and evaluation of the harmful gas in cabin.
Key words：CFD method；numerical simulation；gas diffusion
0 引 言隨着武器装备的不断更新换代，对车辆的乘载安全性要求更加严格。车辆在行驶过程中，燃烧尾气等产生的有害气体向车舱内泄漏，其中主要包含的一氧化碳和二氧化氮等有害气体，对车内的工作人员产生不利的影响。一氧化碳（CO）无色、无味，是对血液与神经系统毒性很强的污染物。空气中的一氧化碳，通过呼吸系统，进入人体血液内，与血液中的血红蛋白、肌肉中的肌红蛋白、含二价铁的呼吸酶结合，形成可逆性的结合物。一氧化碳与血红蛋白的结合，不仅降低血球携带氧的能力，而且还抑制和延缓氧血红蛋白的解析与释放，导致机体组织因缺氧而坏死，严重者则可能危及人的生命。二氧化氮（NO2）对人体的危害很大，即使暴露于二氧化氮的时间很短，肺功能也会受到损害；如果长时间暴露于二氧化氮浓度较高的区域，呼吸道感染的几率就会增加，而且可能导致肺部永久性器质性病变。氮氧化合物进入肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用，增加肺毛细管的通透性，引起支气管炎、肺炎、肺气肿等疾病。亚硝酸盐则与血红蛋白结合，形成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。医学上规定，当空气中的CO达到20 mg/m3，NO2达到3 mg/m3时，就会危及到人身安全。目前，对有害气体的泄漏扩散过程的研究主要包括试验与数值模拟计算研究。与试验研究相比，数值模拟由于成本低、周期短、且场景设置方便等因素，已逐渐成为研究有害气体扩散的重要手段。如美国加州大学开发了基于有限元划分的单方程k理论湍流模型的FEM3系列计算模型，并对选定的Thorney Island系列瞬时释放试验进行了数值模拟，现在该模型已发展为k-ε模型为基础的FEM3C模型；希腊Spyros Sklavaounos利用CFX 5.6对重气越过障碍物的湍流模型进行了检验；德国、法国、日本等也进行了相关应用研究[1-3]。在国内，诸多学者对有害气体进行了分析研究，陈建国等[4]利用数值模拟技术，对天然气井喷过程进行模拟分析，计算结果与现场测试定性结果较为一致。沈艳涛等[5]针对有害气体泄漏建立了CFD计算模型，分析危险气体在大气边界层中的扩散过程。何正杰等[6]针对载人密闭舱内有害气体问题，探讨了气体成分的变化规律，并对密闭舱大气质量进行了初步的毒性评价，为座舱大气质量的监测与评价提供基础。宋黎[7]等采用基于RNGk-ε湍流模型的CFD方法，模拟了通风模型房间内的气流运动和由固定点释放的示踪气体CO2的浓度分布，分析了送风速度和释放源位置对浓度场的影响。郑茂辉[8]等应用计算流体力学（CFD）原理和方法建立街区尺度点源泄漏扩散的数值模型，并经风洞试验结果验证其正确性。南春子[9]等针对某地下洞库工程建立了湍流k-ε数学模型，模拟了压入式风机与吸出式风机联合通风、压入式风机与通风竖井联合通风这2种方案的有害气体扩散过程，得到了主洞室中不同截面CO体积浓度随时间变化的规律。近年来，应用数值模拟技术进行有害气体扩散分析研究已成为诸多学者研究的热点[10-12]。因此，针对密闭舱室泄漏事故的典型危险物质泄漏扩散过程进行研究，定量分析舱内有害气体分布，并对泄露后舱内有害气体的危害进行评估具有重要意义。文中针对密闭舱室内一氧化碳与二氧化氮2种有害气体泄露问题，建立相应的数值模拟分析方法，分析有害气体各组分运动分布规律，为舱室有害气体控制设计与评价提供理论依据。1 有害气体扩散过程的数学模型
1.1 有害气体扩散过程的基本假设对气体泄漏扩散过程进行完全的数学模拟是非常困难的。为了便于对有害气体的泄漏扩散进行数值模拟，特作如下基本假设和简化
1）泄漏有害气体和空气为理想气体；
2）把空气质点的平均运动看作是不可压缩流体的运动；
3）扩散过程中不发生化学反应和相变反应；
4）忽略重力因素的影响；
5）假设泄漏时温度不发生变化，并忽略泄漏气体与舱内气体的温度差异，与外界无热量交换，对应的数学方程如下。
1.2 连续方程考虑到有害气体泄漏为射流喷口，且室内泄漏过程中忽略温度的变化影响，其密度与空气的不同，在扩散过程中其密度也在不断的发生变化。根据这些特点，舱内有害气体泄漏过程的基本控制方程为第三类变密度流体模型。
2 舱室有害气体泄漏算例分析
2.1 计算模型及边界条件主要开展车舱内有害气体（CO，NO2）浓度场空间动态变化规律，分析舱内污染物浓度的空间分布与动态变化特性与规律。简化后建立了数值模拟所需的计算模型，如图1所示。图1示出了某车辆舱内泄漏源、乘载员的位置。其中泄漏源位于后舱顶部前后1/3位置。考虑到模型的复杂性，网格划分采用四面体/混合体网格-Tgrid.Tgrid能够在四面体网格和六面体网格之间自动采用金字塔网格过渡，尤其适合复杂模型的网格划分。
为了能够准确模拟有害气体的扩散过程，对泄漏源位置的网格作了加密处理，同时为了进一步提高网格质量，在泄漏源所在面设置壁面函数，采用Pave网格结构。泄漏源所在平面的网格划分如图2所示（为了更清楚显示泄漏源处加密处理的网格，做了放大处理）。
考虑到泄漏过程中速度远远小于声速，采用基于压力的求解器。由于泄漏过程是一个动态变化的过程，因而采用非稳态流动模型。采用有限体积法对控制方程进行离散求解，激活Species-transport（组分输运）模型，选择混合气体种类为CO，NO2和空气，采用不可压缩的理想气体。考虑到网格大小差异比较大，选用双精度FLUENT求解器进行计算。操作压力设置为110 kPa，车舱内温度初始为300 K.泄漏源入口条件设定为速度入口条件，由已知条件给出的体积流率0.01 m3/min，转化成速度为1.32 m/s，其中CO質量分数为4.26e-04，NO2质量分数为1.02e-04，进口压力101 kPa.所有的壁面条件设置为绝热条件。
2.2 计算结果分析对车舱内工作人员面部正前方50 mm处CO和NO2浓度进行监测，观察其浓度变化是否超标，主要监测点分布如图3所示。其中qian 1和qian 2分别为前舱内的人员，you 1，you 2，you 3，you 4，you 5，you 6为右侧的工作人员，zuo 1，zuo 2，zuo 3，
zuo 4为左侧的工作人员，XL1为泄漏点下方的工作人员。
图4是不同监测点下CO和NO2浓度在泄漏1 h内随时间的变化图。根据GJB 5834的规定，CO和NO2的安全接触限值时间加权浓度分别为20和
3 mg/m3.为了便于比较和分析，当某监测部位的浓度超过安全接触限值时，以安全接触限值为纵坐标最大值；当有害气体浓度未超标时，以安全接触限值作为纵坐标的最大值。因此，当纵坐标最大值超过安全接触限值时，表明在1 h泄漏时间内监测点有害气体浓度超标；当纵坐标最大值为安全接触限值时，表明监测点浓度未超标。图中某些监测点的浓度在纵坐标所给的范围内没有显示出来，表明CO和NO2的监测浓度很小，表明此时有害气体扩散到这些部位的量很小。
从图4可以看出，某些监测点在泄漏开始的一段时间内监测浓度为零，说明此时有害气体尚未到达监测点所在的位置或者到达的量很小。当泄漏源有害气体到达监测点以后，随着时间的推移监测浓度逐渐增加。泄漏点处工作人员的面部前方有害气体监测浓度在泄漏一开始超过安全接触限值。这是因为泄漏源位于泄漏点上方正中间，泄漏点处工作人员距离泄漏源很近，加之泄漏速度较大（1.32 m/s），因此泄漏一开始，有害气体就已经到达人员的面部。前舱的监测点qian 1，qian 2浓度随时间逐渐上升，泄漏1 h后，监测点处的有害气体浓度均未超标。由于前舱后排监测点qian 2距离泄漏源较监测点qian 1近，因而其浓度变化较大。后舱右排监测点you 1，you 2，you 3，you 4和you 5浓度随时间的变化逐渐增加，在泄漏1 h内有害气体浓度均未超标，处于安全状态。越靠近泄漏源，监测浓度变化越大。后舱右排监测点you 6监测浓度在5 min到30 min之间经历了上升和下降阶段，而后逐渐上升，泄漏1 h后，CO和NO2浓度均达到安全接触限值。后舱左排监测点zuo 1，zuo 2，zuo 3与zuo 4在泄漏1 h内有害气体浓度均未超标，处于安全状态。同样地，越靠近泄漏源，监测浓度变化越大。后舱左排监测点zuo 5浓度随时间的推移浓度逐渐增加。由于距离泄漏源较近，25 min时CO浓度超标，30 min NO2浓度超标。后舱左排监测点zuo 6浓度先经历了快速升高阶段（8～10 min），随后在一段时间内增长放缓（10～15 min），接着又快速升高（15-20 min），最后缓慢升高。18 min，CO监测浓度超标；20 min左右，NO2浓度超标。上述不同部位监测点浓度变化不尽相同，这不仅与监测点距离泄漏源的位置有关，而且还受到周围监测点浓度变化的影响。为了进一步明晰车舱内浓度变化规律，以验证监测点浓度变化的合理性，根据所建立的数学模型，选取监测点所在平面（Z截面）截面。分别选取10，20，30，40，50和60 min 6个不同时刻分析扩散过程有害气体浓度分布以及速度迹线的变化规律（以NO2浓度变化为例，CO浓度变化类似）。
图5示出了10，20，30，40，50和60 min不同时刻有害气体扩散过程中监测点所在平面（Z截面）NO2浓度分布的变化。随着时间的推移，有害气体从泄漏孔源源不断进入，车舱内有害气体的波及范围不断扩大，浓度不断增加。从浓度分布图上可以看出，从泄露出来的有害气体遇到泄漏点处的工作人员后，先是在泄漏点处富集，而后从泄漏点的左侧向车舱左侧扩散，最后慢慢向整个车舱内扩散。综上分析，有害气体浓度分布大部分集中在泄漏点内、泄漏点下方、泄漏点的前后以及泄漏点左侧区域。浓度的分布与速度分布密不可分。图6示出了10，20，30，40，50和60 min不同时刻有害气体扩散过程中监测点所在平面（Z截面）速度迹线的变化。可以看出，泄漏源从泄漏点正中心向车舱垂直内扩散，首先遇到泄漏点处的工作人员，一部分在泄漏点内形成内循环，另一部分从泄漏点向四周扩散（主要是泄漏点的前后方和左侧），在泄漏点工作人员下方形成涡流。气体不断进入泄漏点，同时不断有气体从泄漏点流出，从而维持涡流。泄漏点右侧由于受到涡流的影响，速度很小，因而扩散过去的气体较少，浓度相对于泄漏点左侧较小。当有害气体泄漏点左侧扩散至左侧工作人员时，由于遮挡作用，有害气体一方面穿过工作人员继续向左扩散，一方面返回向右扩散，在与从泄漏点后方扩散的气体交汇处形成涡流。而从泄漏点前方扩散出来有害气体向车前舱部位扩散，遇到舱壁后，返回向后舱扩散。从浓度分析图可以看出，浓度较大的区域集中在泄漏点内、泄漏点前后以及泄漏点左侧。因此，这些区域是舱内危险区域。对比监测点的浓度变化可以看出，1 h后泄漏点处、左侧第五、六名人员以及右侧第六名人员面部浓度均超标。浓度超标的4个监测点有3个位于上述分析的危险区域内，其余一个是右侧第六名人员，主要原因是距离泄漏源很近，而且泄漏1 h后，其有害气体浓度刚刚达到安全接触限
值。此外，监测点前舱后排、左侧4个人以及右侧第五人在泄漏1 h后，有害气体浓度也快要达到安全接触限值。其余各个监测浓度虽远未超过安全接触限值，暂时处于安全状态。但随着时间的持续，势必也要超过安全接触限值。
3 结 论＼
1）建立了有害气体泄漏扩散的数值模拟方法，有效地捕捉到有害气体运动过程以及浓度变化过程，为舱室有害气体防护提供依据；
2）泄漏1 h后，车舱内监测点有4个部位有害气体的浓度超标，分别是泄漏点处工作人员、后舱右侧第六人，以及左侧第五、六人。值得注意的是，上述4个监测部位的CO浓度均超标，但是只有3个部位的NO2浓度超标，这与泄漏源中有害气体的含量有关；
3）其余监测部位的工作人员面部处有害气体浓度未超标，暂时处于安全状态。但如果不采用任何措施的话，随着泄漏时间的增加，前舱后排qian 2，后舱左侧zuo 4以及后舱右侧you 5的有害气体浓度很快也会超标，最终可能车舱内所有乘载员都将处于有害气体浓度超标的环境。
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