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基于扩散分子的动力学及其化工应用研究

范文

程新求李振泉

摘 ?????要：采用分子动力模拟计算方法，对装卸过程中液化天然气泄漏扩散情况进行分析。采用火焰离子化侦测器对泄漏进行检测，建立泄漏扩散模型，在分子模拟条件下，对该模型进行结构性优化，并设立周期性边界条件，完成泄漏扩散分子动力计算。分析了泄漏时间和泄漏口位置对液化天然气扩散的影响，结果表明，随着泄漏时间的增加，天然气扩散高度呈现先上升后下降趋势;天然气泄漏口位置越低，浓度越大，产生的危害越大。

关 ?键 ?词：装卸;液化天然气;泄漏扩散;分子动力模拟

中图分类号：TE 973 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）08-1797-04

Abstract： ?The leakage and diffusion of liquefied natural gas （LNG） during loading and unloading were analyzed by molecular dynamic simulation method. Liquefied natural gas leakage was detected by using a flame ionization detector. And the leakage diffusion model of liquefied natural gas （LNG） was established. Under the condition of molecular simulation， the structural optimization of the model was carried out， and the periodic boundary conditions were set up to complete the molecular dynamic calculation of the leakage and diffusion of liquefied natural gas （LNG）. The effect of leakage time and leakage location on LNG diffusion was analyzed. The results showed that the gas diffusion height increased first and then decreased with the increase of leakage time. The lower the location of natural gas leak， the greater the concentration， and the greater the harm.

Key words： ?loading and unloading; liquefied natural gas; leakage and diffusion; molecular dynamic simulation

液化天然气是目前人们生活和工作中经常使用到的新能源，具有清洁、高效的特点。随着运输行业的不断发展，运输液化天然气的工具越来越多，比如液化汽船、液化天然气槽车等，在液化天然气装卸过程中，难免会出现泄漏事故，引起液化天然气外泄[1]。因其具有可燃、低温等特殊的理化性质，泄漏出来的低温液体以及蒸发形成的蒸汽云，会对周围的人和物体造成极大的危害，若遇到火源，造成的危害则更为严重，事故现场将会非常复杂，因此，对装卸过程中液化天然气的泄漏扩散过程进行研究具有现实意义，只有清楚的了解天然氣泄漏扩散的具体细节，才能积极采取有效的排险措施，从而更加科学的消除危险隐患，并进行安全的救援[2]。

本文对装卸过程中液化天然气泄漏扩散分子动力计算方法进行研究，首先采用火焰离子化侦测器对液化天然气泄漏进行检测，通过检测结果对泄漏的天然气进行浓度估计，采用分子动力模拟计算方法建立泄漏扩散模型，并在不同影响因素下模拟天然气泄漏扩散情况。

1 ?实验部分

1.1 ?实验设备

液化天然气在运输过程中容易发生泄漏，在天然气装卸过程中的碰撞会造成分子扩散，会对环境造成严重伤害，为此需要对液化天然气装卸过程中的泄漏现象进行检测。目前，存在两种检测方法：

（1）装卸过程中专业人员进行人工检测;

（2）采用专业设备对运输装置进行检测。

第一种方法耗费人力，若液化天然气泄漏很小则很难被发现，存在检测误差。第二种方法采用专业设备，能够检测到微小泄漏，具有精准的检测结果。因为人们对环保的重视，各类容易挥发的物质运输与排放受到严格限制，大大增加了工作量与工作难度[3]。因此，现在采用第二种方法进行检测。

目前对液化天然气装卸过程的中泄漏的检测，应用的是美国EPA METHOD 21与美国EPA METHOD 21推荐方法，采用手持式气体分析仪，内置触媒氧化侦测器、红外线吸收侦测器、光离子化侦测器以及火焰离子化侦测器。在使用火焰离子化侦测器检测液化天然气气体泄漏时，将检测采样口放在可能发生泄漏的部分1 cm以内，在这个区域内环绕瓶口，获得泄漏相关数据。具体操作示意如图1所示。

1.2 ?实验方法

1.2.1 ?基于分子动力模拟的方法

在装卸过程中，当液化天然气发生泄漏事故时，泄漏出的液化天然气受热空气影响，会快速形成天然气气体。蒸发初始阶段，气体天然气自身温度较低，但其密度较空气密度高，因而会在大气环境中形成重气云团，并以重汽形式来扩散。由上述分析可知，液化天然气泄漏扩散过程涉及多种物理变化现象，主要包括多组分运输、气液转换、湍流流动以及热量转化等。为深入分析液化天然气泄漏扩散过程，传统的实验方法也只能停留在分子表面研究阶段，本文采用分子动力模拟计算方法进行扩散模拟。分子动力模拟计算方法具有模拟分子静态与动态物理变化过程的能力，可得到微小尺度内的分子扩散行为，模拟效果较好，增加了研究的可行性[4]。利用分子动力模拟计算中，涉及到许多数值模型，文本选取具有代表性的离散相模型为主，对液体天然气泄漏扩散过程中各种物理现象进行模拟。

离散型模型，又可称作DPM模型，该模型主要采用欧拉—拉格朗日方法对天然气两相的流动过程进行计算，即主要计算具有连续性的输运方程，在拉格朗日参考系界定范围内，对天然气离散相颗粒进行跟踪，模拟其运动轨迹以及热量、质量等物理量大小，并连续考虑相与离散相两者之间的相互作用，并进行耦合计算[5]，由此，从分子受力角度进行分析，可得出离散相颗粒的平衡方程，如式（1）：

根据上述求解得出的液体颗粒蒸发质量，采用质量源项形式则可以获取液化天然气连续相的输运方程，完成液化天然气泄漏扩散模型建立[6]。

1.2.2 ?泄漏扩散模型结构性优化

为有效保障分子动力模拟计算结果的准确性，需要对泄漏扩散模型进行结构性优化，主要以能量优化目的为主。整个模拟过程中，需要选取Meterials Studio 4.0分子模拟软件包辅助完成，模拟数值提取则由计算机程序完成[7，8]。分子力场控制是整个模拟过程中最为重要的步骤，是模拟过程准确进行的前提条件，该力场把有机与无机分子体系相结合，统一为一个整体，以便于适应天然气各扩散阶段的物理性质转换[9，10]。分子力场控制中，需要用到非键合势，由静电相互作用势和范德华势两种势能组合而成，其中，静电相互作用势可表示为：

1.2.3 ?周期性边界条件设立

分子动力模拟计算结果成立的重要前提条件，是对计算区域设定周期性边界条件，综合各方面因素，使边界条件参数与实际情况接近一致，以降低计算模拟误差[11]。液化天然气泄漏扩散模型的边界条件主要以入口和出口两个条件为主，边界条件设置如表1所示。入口边界条件：大气风速入口即为计算区域的入口，需要设置该边界处的各项参数值[12]。通常情况下，认为天然气泄漏扩散过程在大气边界层内部范围进行，而大气边界层内部的流动特征主要体现在平均风速剖面和湍流参数等方面。平均风速剖面的计算公式如下湍流强度I与地面的粗糙指数以及泄漏口与地面之间的距离密切相关，以湍流强度为依据，可得出湍动能P和湍动能消耗率J的计算公式，如下：根据上述分析可知，湍动能P和湍动能消耗率J的输入值可根据上述求解结果设定。

出口边界条件：鉴于液化天然气泄漏扩散为自由流动状态，所以在出口边界处需要设立的主要参数值为压力，压力的法向梯度需要设置为0。但天然气在边界处的泄漏浓度处于无法确定状态，这就增加了计算难度，因此，在出口边界处设置为自由流出口，出口参数的设置需根据计算流内部的情况来决定。

2 ?实验结果

2.1 ?泄漏时间对扩散的影响

若装卸过程中液化天然气发生泄漏，由于内外压力差的存在，天然气流体运动呈现非稳态状态，但随着扩散时间的推移会达到一种稳态状态。本文对非稳态与稳态状态下的天然气进行模拟，分析泄漏时间对扩散的影响。

分别设定泄漏扩散时间为30 s和120 s，液化天然气泄漏扩散时的CH4浓度图如图2所示，图中的颜色标尺为甲烷与空气混合体积比。

根据图2可知，在泄漏初始阶段，受风流作用的影响，天然气扩散面积呈现增大的趋势，扩散高度呈现先升高、后降低的趋势。当扩散时间推移至120 s时，由于泄漏量的增加，天然气的扩散高度发生变化，呈现先上升后下降的趋势，这是因为当泄漏量增加到一定数值时，近地侧天然气不容易发生扩散，所以扩散高度上升，但是随着扩散时间的持续推进，大气湍流对天然气扩散的影响逐渐增强，从而使得天然气扩散高度发生回落，扩散面积也随之减小，但相较于30 s时刻，此时扩散区域内的天然气浓度较高。

2.2 ?泄漏口位置对泄漏扩散的影响

液体天然气在装卸过程中，泄漏口发生位置随机，针对不同泄漏口位置条件下的天然气泄漏扩散进行模拟分析，选取体积为80 m3的天然气储罐作为实验对象，对储罐壁表面位置5 m和10 m处进行分析。该实验在计算区域入口风速固定，其他外界条件保持不变的情况下进行。

根据图3和图4可知，在储罐壁表面5 m处，天然气的扩散高度较大，体积较大，在储罐壁表面10 m处，天然气的扩散高度值下降，扩散体积相对较小。这是由于在泄漏口位置较高时，天然气泄漏气体受风流的影响较为明顯，天然气扩散速度增强，扩散空间较大。在泄漏口位置较低时，天然气泄漏气体受风流的影响较小，不易扩散，泄漏出去的大量天然气气体堆积在泄漏口位置附近，致使天然气浓度较高。由此可见，天然气泄漏口位置越低，造成的危害越大。

3 ?结语

本文利用分子动力模拟计算方法，分析装卸过程中液化天然气泄漏扩散情况，研究泄漏时间和泄漏口位置对天然气扩散的影响，得出以下结论：

在液化天然气泄漏初始阶段，扩散高度较低，随着泄漏时间的增加，受风流影响增大，扩散高度呈现先升高、后降低的趋势。

液化天然气泄漏口位置越高，受风流影响越大，天然气泄漏浓度越高，反之，泄漏口位置越低，天然气泄漏浓度越低。

参考文献：

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