Diesel vapor leakage and diffusion rules in underground chambers
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摘要:
随着柴油单轨吊和无轨胶轮车等辅助运输装置在煤矿井下的推广应用，在井下运输和加注柴油的频率越来越高，运输和加注柴油过程中泄漏的柴油和挥发的柴油蒸气会污染井下空气环境，严重时还可能造成燃烧与爆炸事故。针对煤矿井下柴油运输及加注过程的环境特点，构建了井下流态环境泄漏柴油蒸发扩散模型，建立了基于风速和蒸发速率的柴油蒸气体积分数峰值预测方法，研究了不同环境风速及柴油蒸发速率条件下的柴油蒸气体积分数分布规律，提出了煤矿井下柴油蒸气-瓦斯混合环境防火防爆措施。结果表明：在井下流态环境中，柴油蒸气扩散呈现出明显的沉降、分层及分段特性，风流对柴油蒸气扩散具有促进作用；当柴油泄漏后20 s时，蒸气可扩散至距泄漏点下风侧10 m；当柴油泄漏后40 s时，蒸气可扩散至距泄漏点下风侧15 m；当柴油泄漏后70 s时，硐室中各监测点柴油蒸气体积分数达到峰值并趋于稳定；柴油蒸气体积分数峰值点位于泄漏点下风侧1 m处；可通过采用降低硐室环境温度、减少泄漏面积和增加风速等措施防止柴油蒸气-瓦斯混合气体燃烧和爆炸。
Abstract:With the popularization and application of auxiliary transportation devices such as diesel monorail cranes and trackless rubber-wheeled vehicles in underground coal mines, the frequency of transporting and refilling diesel fuel in underground mines is getting higher and higher, leakage of diesel fuel and volatile diesel vapor during transportation and refueling will pollute the underground air environment, and may cause combustion and explosion accidents in serious cases. In this paper, for the environmental characteristics of diesel transportation and refueling process in underground coal mine, we constructed the evaporation and diffusion model of leaked diesel in underground fluid environment, established the prediction method of peak diesel vapor volume fraction based on wind speed and evaporation rate, investigated the distribution law of diesel vapor volume fraction under the conditions of different ambient wind speeds and diesel evaporation rates, and put forward fire prevention and explosion-proof measures for the mixed diesel vapor-gas environment in underground coal mine. The results show that in the underground flow environment, diesel vapor diffusion presents obvious subsiding, layering and segmentation characteristics, and the wind flow has a promoting effect on diesel vapor diffusion. When the diesel was leaking for 20 s, the vapour spread to 10 m downwind of the leak, and when the diesel was leaking for 40 s, the vapour spread to 15 m downwind of the leak, and when the diesel was leaking for 70 s, the volume fraction of diesel vapour in the chamber reached a peak and tended to stabilize, and the peak volume fraction of diesel vapour was located at a point 1 m downwind of the leak. Measures such as lowering the ambient temperature of the chamber, reducing the leakage area and increasing the air velocity can be taken to prevent the diesel vapour-gas mixture from burning and exploding.
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随着全球对气候变化和碳排放的关注度不断增加[1]，近年来各类新能源技术得到快速发展。但是在未来很长一段时间内，煤炭行业仍将是能源的重要组成部分。以中国为例，《2020—2026年中国煤炭行业市场深度调查及未来前景预测报告》指出，到2050年煤炭在能源中的比例仍将高达50%。在煤炭行业中，安全、高效生产始终是核心任务之一[2]。无轨胶轮车运输、单轨吊车运输等井下辅助运输方式凭借其运行安全可靠、操作简单的特点，被广泛应用于井下运输和装卸作业[3]。然而，上述井下辅助运输系统在工作过程中柴油消耗量较大，需要频繁向井底车场运送柴油进行加注，或者将其运输至地面进行柴油加注，极大地降低了其工作效率。随着煤矿开采深度的增加，加油路径不断增长，井下辅助输运系统的柴油加注成本快速提升，成为提升矿井效率的瓶颈问题。为了解决上述问题，《煤矿防灭火细则》[4-5]明确提出可以在煤矿井下建立专用硐室，用作柴油的临时存储和加注，进而有效缩短加注柴油的运输距离，提高一次性输油量，提升井下运输效率。但是，矿井硐室空间相对密闭，柴油蒸气作为污染物，在加注时和储存是可能发生泄漏和扩散，会严重污染煤矿硐室的空气环境，同时可能造成燃烧与爆炸事故，危及井下作业人员的生命安全。因此，亟待针对煤矿井下环境，进行硐室柴油存放和加注过程的风险源分析与预测，研究矿井环境中的柴油蒸气逸散与积聚规律，并提出相应的风险预防措施和合理的应急处理预案。
从油气扩散特性角度而言，柴油蒸气属于重气，柴油在加注或泄漏时产生的蒸气密度大于空气[6-8]，逸散后会快速沉降到地面并出现分层现象，不利于井下环境中的快速排出[8-11]。随着泄漏时间增加[12-16]，柴油蒸气在风流作用下会进一步沿地面扩散[17-21]，遇到障碍时易于在障碍物背风侧积聚[20, 22-25]，导致柴油蒸气体积分数快速增加，更易引发风险[26-31]。同时井下存在CH4、CO，也容易在风速低的位置积聚。上述可燃气与柴油蒸气的混合作用，使得可燃气的组分和爆炸极限呈现出更为复杂的特征，且其所造成的灾害具有更大的破坏性。然而，针对煤矿井下环境中柴油存放和加注过程的柴油蒸气逸散、迁移与积聚规律，以及其对应的风险研究与防治工作，目前尚没有公开报道。
目前在非煤矿山或石油等行业，各国学者和相关部门已针对地下储油罐安装泄漏方面进行了大量研究，并提出了较为完善的相关标准，例如AS 4897—2008《地下石油储存系统的设计、安装和运行》[32]（澳大利亚）、《地下储油罐管理条例》[33]（美国）、《泄漏检测系统一般原理(BSEN 13160:2016)》[34]（欧洲）、GB 50156—2021《汽车加油加气加氢站技术标准》[35]（中国）。虽然上述标准涉及的地下储油罐场景与煤矿井下硐室柴油储存场景存在不同之处，但其对井下柴油扩散、迁移、积聚等特性规律的研究所采用的方法是相通的。在现有研究基础上，综合考虑煤矿井下的特殊环境与条件，有助于快速完成井下环境中硐室内柴油加注与存放过程的风险分析与预测。
据此，依据实际煤矿井下环境条件，开展了井下硐室柴油加注、泄漏过程的研究工作，构建了柴油蒸气扩散模型，分析了柴油蒸气作为污染物在井下环境中的动态扩散和迁移规律，预测了井下硐室中柴油蒸气污染物的最高体积分数，提出降低柴油蒸气体积分数的风险预防措施。可以为井下柴油的安全加注和存放提供指导性依据，进而突破井下柴油加注安全性的限制性瓶颈问题，大幅度提升煤矿安全开采效率。
1. 模型构建
1.1 物理模型
煤矿井下硐室形状、几何尺寸、壁面与地面材质各不相同，井下环境差异较大，流场、温度场、浓度场等场间耦合关系复杂。为了使研究结果具有普适性，参考井下硐室实际条件，对物理模型进行简化，硐室模型如图1所示。硐室形状为长方体，长30 m、宽4 m、高4 m，壁面与地面均为岩石。柴油蒸发面几何形状为圆形，半径1 m，位于硐室中部的地面，坐标为(15，2，0)。根据已有研究成果[36]，柴油蒸气的主要成分为C10H22。规定与风流流动方向平行的截面为纵向截面，与风流流动方向垂直的截面为横向截面。
1.2 基本假设及数学模型
1.2.1 基本假设
1）煤矿井下机电硐室一般是近水平建造的，不考虑硐室倾斜角度及地面起伏影响，因此硐室地面设置为水平。
2）在井下温度和大气环境下，空气和柴油蒸气相对密度变化很小，将流体密度近似看为不变的，均认为是不可压缩流体。
3）煤矿井下温度一般维持在25 ℃左右，《煤矿安全规程》[37]规定采掘工作面的空气温度不超过30 ℃、机电设备硐室不超过34 ℃，井下硐室温度均匀恒定，同时柴油蒸气扩散过程温度变化小，扩散过程快，不考虑温度变化对柴油蒸气扩散的影响。
4）短时间柴油蒸发量相对于泄漏总量比例极少，认为蒸发速率恒定。
1.2.2 连续性方程
在硐室空间中，风流及柴油蒸气连续分布，其适用的连续性方程为：
$$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}(\rho {u_i}) = 0 $$ (1) 式中：$ \rho $为流体密度，kg/m3；$ t $为时间，s；$ {u_i} $为速度矢量；xi为x方向的矢量。
1.2.3 湍流方程
井下硐室风流速度通常大于0.25 m/s，雷诺数一般都在50000以上，风流流动处于湍流状态。适用的湍流方程为：
$$\begin{gathered} \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho {u_i}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho {u_i}{u_j}} \right) = - \frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + \\ \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\mu \left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}} - \frac{2}{3}{\delta _{ij}}\frac{{\partial {u_l}}}{{\partial {x_l}}}} \right)} \right] + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( { - \rho \overline {u_i'u_{_j}'} } \right)\\ \end{gathered} $$ (2) 式中：$ {u_i} $、$ {u_j} $、$u_l $分别为$ {x_i} $、$ {x_j} $、$x_l $方向上的平均速度分量；$ p $为压力，Pa；$ \mu $为流体动力黏度，Pa·s；上横线和撇号分别为速度的平均分量和波动分量；$ - \rho \overline {u_i'u_{_j}'} $为雷诺应力，采用Realizable$ k $-$ \varepsilon $模型计算；δij为克罗内克尔符号，i=j时，δij=1，i与j不相等时，δij=0。
1.2.4 硐室气体体积分数方程
柴油蒸气在井下环境压力下以较低的速度释放，在计算中将空气和柴油蒸气都定义为不可压缩的理想气体，硐室内第i种物质的局部质量分数Yi守恒方程表示为：
$$ \frac{\partial }{{\partial {\text{t}}}}\left( {\rho {Y_{{i}}}} \right) + \nabla \cdot \left( {\rho \overrightarrow u {Y_{{i}}}} \right){\text{ = }} - \nabla \cdot \overrightarrow {{J_i}} $$ (3) $$ \overrightarrow {{J_i}} = - \left( {\rho {D_{i,{\mathrm{m}}}} + \frac{{{\mu _{\mathrm{t}}}}}{{{\mathrm{S}}{{\mathrm{c}}_{\mathrm{t}}}}}} \right)\nabla {Y_{{i}}} $$ (4) 式中：$ {Y_{{i}}} $为第i种物质的局部质量分数，通过求解第i种物质的对流扩散方程得到；$ \overrightarrow {{J_i}} $为物质i的扩散通量；$ {\mu _{\mathrm{t}}} $为湍流黏度；$ {D_{i,{\mathrm{m}}}} $为物质i扩散系数；$ {\mathrm{S}}{{\mathrm{c}}_{\mathrm{t}}} $为湍流施密特数，默认值为0.7。
$ {\mathrm{S}}{{\mathrm{c}}_{\mathrm{t}}} $计算公式：
$$ {{\mathrm{Sc}}_{\mathrm{t}}} = \frac{{{\mu _{\mathrm{t}}}}}{{\rho {D_{\mathrm{t}}}}} $$ (5) 式中：$ {D_{\mathrm{t}}} $为湍流扩散率。
2. 边界及初始条件
2.1 边界条件及网格独立性验证
根据流场基本假设，硐室入口设置为速度入口，硐室出口设置为压力出口边界，地面柴油蒸发面设置为速度入口；边界为无滑移；硐室初始风速及柴油初始体积分数为0。网格划分情况，模型网格如图2所示。选用49742、86802、131482、175168这4个网格数量不同的算例中进行网格无关性验证，网格无关性验证图3所示。
由图3可知：当网格数量从49742增加到86802时，柴油蒸气体积分数变化比较明显，当网格数量从131482增加到175168时，柴油蒸气释放源区域的浓度变化非常小，误差为2%，保证结果准确的情况下，使用较少网格能提升计算效率。因此，使用131482的网格数进行后续的模拟。
2.2 模型可靠性验证
为了验证数值模型的准确性，采用CO2井喷实验数据[38]进行验证，构建的计算域如图4所示，边界条件见表1。
表 1 边界及初始条件Table 1. Boundary and initial conditions边界 设置 前部 风速=0.378(U/2)0.3，U为入口位置高度 CO2 源 CO2入口速度8.8 m/s 地面 壁面，粗糙度=5 mm 顶部、侧部、后部 压力出口 实验场景为半开放空间（空间长15 m，宽6.4 m，高5.2 m，空间前后面都对大气开放），圆形二氧化碳释放源位于地面，直径为20 mm，沿中心线在地面布置了10个用于测量CO2体积分数的传感器，释放源与各传感器之间的距离分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、6.0、8.0、10.0 m。将CO2扩散稳定后地面传感器显示的数值与模拟值进行比较，模拟参数验证如图5所示。结果表明：模拟结果与实验数据吻合性较好。
3. 结果分析
3.1 柴油蒸气发展过程
蒸发速率为0.34 m3/h、硐室入口风速为0.5 m/s工况下，蒸发面释放蒸气持续时间分别为20、40、70 s时横纵中心截面、z=0.01 m截面的柴油组分云图如图6所示。
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图 6 不同时刻各截面柴油蒸气组分体积分数分布Figure 6. Volume fraction distribution of diesel vapor components in each section at different times由图6可知：柴油蒸发后蒸气由蒸发面开始逐渐向上下风两侧扩散，上风侧柴油蒸气扩散速度缓慢，柴油蒸气分布围绕在蒸发面附近，基本不向上风侧延伸；下风侧柴油蒸气扩散速度快，与风流混合后逐渐向下风侧扩散至硐室出口，横向扩散至硐室壁面，70 s之后硐室柴油蒸气分布稳定，随着时间增加柴油蒸气分布基本不发生变化；从z=0.01 m截面可以看出，柴油蒸气高体积分数区域体积分数分布呈三角形，外部低体积分数区域初期呈“鞋底”形，而后呈“U”形，这是由于柴油蒸气在向下风侧扩散的过程中，蒸气逐渐与空气混合，发生横向扩散，因此高体积分数区域体积分数分布呈三角形，外部低体积分数区域初期呈鞋底形，随着蒸发时间增加，柴油蒸气横向扩散至壁面附近且充满整个下风侧，因此外部区域呈“U”形；高体积分数柴油蒸气所在的位置不是位于释放面正上方，而是向蒸发面的下风侧偏移，这是由于风流影响，导致高体积分数位置发生向下风侧的位移；柴油蒸气贴地面扩散，扩散过程中蒸气高度整体较低，扩散高度基本不发生变化，体积分数分布曲线平缓，质量分数为0.0005的柴油蒸气分布高度为0.3 m，这是由于柴油蒸气属于重质气体，密度大于空气，同时空间未封闭，蒸发速率较小，柴油蒸气不易积聚，因此柴油蒸气扩散高度基本不发生变化。
扩散稳定后不同横向截面柴油体积分数分布如图7所示，扩散稳定后不同高度下柴油体积分数分布如图8所示，气体积分数0.0005轮廓线如图9所示。
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图 7 扩散稳定后不同横向截面柴油蒸气体积分数分布Figure 7. Diesel volume fraction distribution in different transverse sections after diffusion stabilization![]()
图 8 扩散稳定后不同高度下柴油体积分数分布Figure 8. Diesel volume fraction distribution at different heights after diffusion stabilization![]()
图 9 不同时刻z=0.01 m截面蒸气体积分数0.0005轮廓线Figure 9. Contour lines of vapor volume fraction 0.000 5 at z=0.01 m section of different times由图7可知：柴油蒸气横向截面体积分数随y=2呈对称分布。下风侧柴油蒸气逐渐扩散至硐室壁面，同一高度对应柴油蒸气体积分数逐渐降低，且云图形状出现中间高，两头低的形态；这可能是由于柴油蒸气扩散至壁面后回流，重新聚集导致。由图8可知：随着高度增加，柴油蒸气体积分数的分布范围收缩，核心处体积分数降低，柴油蒸气体积分数分布云图形状基本没有变化。由图9可知：下风侧柴油蒸气纵向上不断发展至出口，横向上逐渐向两侧壁面扩散。
3.2 柴油蒸气体积分数变化
纵向中心截面0.01 m高度下不同位置柴油蒸气体积分数随时间分布曲线如图10。
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图 10 纵向中心截面0.01 m高度下不同位置柴油蒸气体积分数随时间分布曲线Figure 10. Distribution curves of diesel vapor volume fraction with time at a height of 0.01 m in the longitudinal center section at different positions由图10可以看出：当柴油蒸气出现后，蒸气体积分数初期上升速度较快，然后体积分数变化曲线逐渐平缓，最终达到某值不变。不同位置柴油蒸气出现时间不同，越靠近出口，柴油蒸气出现越晚，最终稳定的数值越低。
柴油蒸气出现时间与硐室入口距离的关系如图11所示。
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图 11 不同硐室入口距离下柴油蒸气出现时间Figure 11. Diesel vapor emergence time under different chamber entrance distances由图11可知：出现时间与入口距离呈线性关系，直线斜率的倒数为0.5 m/s，与风流速度相同，说明纵向扩散主要受风流控制。同时由于纵向上柴油蒸气主要依靠风速扩散，距出口越近，柴油蒸气与空气混合越均匀，体积分数越低。因此距入口越远，柴油蒸气出现时间越长，稳定后的体积分数越低。
3.3 扩散稳定后柴油蒸气浓度分布
3.3.1 不同高度下柴油蒸气体积分数分布
蒸发速率为0.34 m3/h，风速为0.5 m/s的工况下，柴油蒸气体积分数稳定后y=2 m纵向截面上高度为0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 m对应的蒸气体积分数变化曲线如图12所示，不同高度下的柴油蒸气峰值变化如图13所示。
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图 12 不同高度下纵向中心截面柴油蒸气体积分数随入口距离分布Figure 12. Distribution of diesel vapor volume fraction in the longitudinal center section at different heights with inlet distance由图12可知：在同一高度下，从气流略过蒸发面开始，柴油蒸气体积分数呈现先增大后减小的趋势，14 m处柴油蒸汽体积分数接近0，说明上风侧柴油蒸气扩散距离短，保持在蒸发面附近。柴油蒸气体积分数峰值出现在16 m处，0.01 m高度对应的柴油蒸气体积分数曲线峰值为0.00086。峰值之前柴油蒸气体积分数上升速率较快，变化曲线为直线。峰值之后柴油蒸气体积分数逐渐降低，下降速度较慢，距入口30 m处0.01 m高度下柴油蒸气体积分数下降到0.00032，曲线峰值两侧柴油蒸气体积分数不对称分布。不同高度对应的柴油蒸气体积分数曲线变化趋势相似，柴油蒸气体积分数随高度增加而降低，蒸气峰值均位于距入口16 m处。
由图13可知：体积分数曲线峰值与高度呈线性关系，相邻高度对应的曲线峰值差值均为0.00003。这是由于柴油蒸气向上风侧扩散受到风流阻碍，扩散距离短，柴油蒸气仅能维持在蒸发面边界附近，因此体积分数曲线中直线部分斜率较大；而蒸发面右侧柴油蒸气顺风扩散，风流能促进柴油蒸气向下风侧扩散，蒸气在扩散过程中逐渐与空气混合，体积分数随扩散距离增加而缓慢降低，因此体积分数曲线较为平缓；柴油蒸气释放后受重力影响沿地表扩散，越贴近地面，体积分数越高，而高度越高，受风速影响越大，柴油越易与空气混合，因此随高度上升柴油蒸气体积分数下降。
3.3.2 不同风速下柴油蒸气体积分数分布
蒸发速率为0.57 m3/h，风速为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/s时柴油蒸气扩散稳定后0.01 m高度下的y=2纵向截面上蒸气体积分数变化曲线如图14所示，不同风速下的柴油蒸气峰值分布如图15所示。
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图 14 纵向中心截面不同风速下柴油蒸气体积分数随入口距离分布Figure 14. Distribution of diesel vapor volume fraction with inlet distance at different wind speeds in the longitudinal center section![]()
图 15 不同风速下的柴油蒸气峰值分布Figure 15. Diesel vapor peak distribution under different wind speeds由图14可知：在同一风速下，气流略过蒸发面开始，柴油蒸气体积分数先增大后减小，体积分数峰值出现在16 m处，1.5 m/s风速下蒸气峰值浓度为0.00046。峰值之前柴油蒸气体积分数上升速率较快，变化曲线为直线；峰值之后柴油蒸气体积分数逐渐降低，下降速度较慢，风速1 m/s时距入口30 m处柴油蒸气体积分数下降到0.00035，曲线峰值两侧柴油蒸气体积分数不对称分布；不同风速下柴油蒸气浓度曲线变化趋势相似，风速越高，柴油蒸气体积分数越低，蒸气峰值位于距硐室入口16~16.2 m处。
由图15可知：随着风速增加，曲线峰值对应的柴油蒸气体积分数下降速率减缓，逐渐平行于坐标轴。这是由于风流能促进柴油蒸气向下风侧扩散，柴油蒸气的扩散过程对风速敏感，较小风流出现就能带走较多柴油蒸气，随着风速不断增加，柴油蒸气体积分数逐渐趋向于0，因此柴油蒸气体积分数随风速增加下降速率减缓。
3.3.3 不同蒸气释放量下柴油蒸气体积分数分布
硐室风速为0.5 m/s，蒸发速率分别为0.11、0.34、0.57、0.79、1.02 m3/h时柴油蒸气扩散稳定后0.01 m高度下的y=2纵向截面上蒸气体积分数变化曲线如图16所示，不同蒸发速率下的柴油蒸气峰值分布如图17所示。
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图 16 纵向中心截面不同蒸发速率下柴油蒸气体积分数随入口距离分布Figure 16. Distribution of diesel vapor volume fraction with inlet distance at different evaporation rates in the longitudinal center section![]()
图 17 不同蒸发速率下的柴油蒸气峰值分布Figure 17. Diesel vapor peak distribution under different evaporation rates由图16可知：在同一蒸发速率下，气流略过蒸发面开始，柴油蒸气体积分数先增大后减小，柴油蒸气体积分数峰值出现在16 m处，0.57 m3/h蒸发速率对应的柴油蒸气体积分数曲线峰值为0.00144；峰值之前柴油蒸气体积分数上升速率较快，变化曲线为直线。峰值之后蒸气体积分数逐渐降低，下降速度较慢，距入口30 m处蒸发速率为0.57 m3/h时柴油蒸气体积分数下降到0.0004，峰值两侧柴油蒸气不对称分布；不同蒸发速率对应的柴油蒸气体积分数曲线变化趋势相似，柴油蒸气体积分数随蒸发速率增加而增加，蒸气峰值均位于距硐室入口16 m处。
由图17可知：体积分数曲线峰值与蒸发速率呈线性关系，相邻蒸发速率对应的曲线峰值差值均为0.006。这是由于在风流不变的情况下，增加蒸发速率，柴油释放量增加，各个位置的柴油蒸气体积分数均匀增加，造成体积分数整体提高，因此在环境条件不变的情况下柴油蒸气体积分数随蒸发速率线性增加。
由图13、图15、图17中的曲线拟合可以得到扩散稳定后y=2 m截面上柴油体积分数峰值随高度、入口风速、蒸气速率的关系：
$$ \begin{gathered} {{y = 0}}{\text{.002 57}}{x_1} - 0.002\;88{x_{\text{2}}} +\\ 0.002\;95\exp ( - {x_3}/0.53) -0.001\;17\\ \end{gathered}$$ (6) 式中：$ y $为峰值对应的柴油蒸气体积分数；$ {x_1} $为蒸气速率，m3/h；$ {x_2} $为高度，m；$ {x_3} $为入口风速，m/s。
式（6）是基于风速和蒸发速率下的柴油蒸气峰值预测公式，可实现对不同高度下柴油蒸气峰值的预测。
综上所述，控制柴油蒸气体积分数应从减少蒸发速率、增加风速入手，同时柴油蒸气体积分数监测仪的测点布置应该满足近地面、靠近蒸发面、位于下风侧的特点，测点应能实时监测体积分数，目的在于能在柴油蒸发初期及时、有效地检测出柴油蒸气体积分数变化，能快速采取措施避免柴油蒸气积聚和燃烧爆炸事故的发生。
4. 结 语
1）柴油蒸气扩散呈现出明显的沉降和分层特性，风流对柴油蒸气扩散具有促进作用。蒸发后的柴油蒸气贴地面扩散，扩散过程中蒸气分布整体较低，体积分数为0.0005的柴油蒸气分布高度为0.3 m；受风流影响。柴油蒸气向上风侧扩散迟缓，向下风侧扩散速度加快。
2）柴油蒸气扩散过程分段现象明显，空间分布体积分数差异明显。柴油蒸气在扩散过程中，初期体积分数上升速度较快，然后逐渐平缓，后期体积分数稳定不变；20 s蒸气扩散至硐室25 m处，40 s时出口处检测到蒸气，70 s之后硐室柴油蒸气体积分数分布基本不发生变化；不同位置柴油蒸气出现时间不同，越靠近出口，柴油蒸气出现时间越晚，同时最终稳定后的数值越低。
3）拟合方程能有效实现蒸气体积分数预测，同时对测点布置提出具体要求。形成了基于风速和蒸发速率的柴油蒸气峰值预测公式，可实现对不同高度下柴油蒸气峰值的预测；同时为保证加油效率及安全性，测点分布应该靠近蒸发面、位于下风侧，测点应能实时监测体积分数；控制柴油蒸气体积分数应从减少蒸发速率、增加风速方面采取措施。
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图 6 不同时刻各截面柴油蒸气组分体积分数分布
Figure 6. Volume fraction distribution of diesel vapor components in each section at different times
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图 7 扩散稳定后不同横向截面柴油蒸气体积分数分布
Figure 7. Diesel volume fraction distribution in different transverse sections after diffusion stabilization
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图 8 扩散稳定后不同高度下柴油体积分数分布
Figure 8. Diesel volume fraction distribution at different heights after diffusion stabilization
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图 9 不同时刻z=0.01 m截面蒸气体积分数0.0005轮廓线
Figure 9. Contour lines of vapor volume fraction 0.000 5 at z=0.01 m section of different times
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图 10 纵向中心截面0.01 m高度下不同位置柴油蒸气体积分数随时间分布曲线
Figure 10. Distribution curves of diesel vapor volume fraction with time at a height of 0.01 m in the longitudinal center section at different positions
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图 11 不同硐室入口距离下柴油蒸气出现时间
Figure 11. Diesel vapor emergence time under different chamber entrance distances
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图 12 不同高度下纵向中心截面柴油蒸气体积分数随入口距离分布
Figure 12. Distribution of diesel vapor volume fraction in the longitudinal center section at different heights with inlet distance
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图 14 纵向中心截面不同风速下柴油蒸气体积分数随入口距离分布
Figure 14. Distribution of diesel vapor volume fraction with inlet distance at different wind speeds in the longitudinal center section
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图 15 不同风速下的柴油蒸气峰值分布
Figure 15. Diesel vapor peak distribution under different wind speeds
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图 16 纵向中心截面不同蒸发速率下柴油蒸气体积分数随入口距离分布
Figure 16. Distribution of diesel vapor volume fraction with inlet distance at different evaporation rates in the longitudinal center section
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图 17 不同蒸发速率下的柴油蒸气峰值分布
Figure 17. Diesel vapor peak distribution under different evaporation rates
表 1 边界及初始条件
Table 1 Boundary and initial conditions
边界 设置 前部 风速=0.378(U/2)0.3，U为入口位置高度 CO2 源 CO2入口速度8.8 m/s 地面 壁面，粗糙度=5 mm 顶部、侧部、后部 压力出口 
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