职业病危害评价中气体扩散模型研究及应用

摘要:目前我国的职业病危害评价方法主要有检查表法、类比法、定量分级法,还没有通过建立数学模型对工作场所的职业病危害因素进行评价的方法。本研究在环保领域中的高斯模型的基础上,针对工作场所有害气体扩散的特点,建立有限空间内有害因素扩散模型,并应用于实际评价。

关键词:扩散模型职业病危害评价

1 引言

目前全国有毒有害企业已超过1600万家,受到各种职业病危害的人群已超过两亿。我国职业病危害的接触人数、职业病新发病例数、累计病例数和死亡病例数均居世界首位。为了促使用人单位主动防治职业病,提高职业卫生管理水平,我国开展了职业卫生评价工作。

在评价方法的选择上,根据2002年卫生部颁布的《职业病危害评价规范》,建设项目职业病危害评价采用检查表法、类比法与定量分级法相结合的应用原则进行定量和定性评价。但检查表法需事先编制大量的检查表,工作量大而且比较笼统,不能定量评定危害程度或防治的效果。类比法进行评价时,由于没有明确定义同类建设单位,较难选择类比企业,并且选址、总平面布置、职业卫生防护措施类比性较差。定量分级方法都必须以已有的相同或相似企业的检测数据作为评价的依据,当没有合适的测试数据作参考时,定量评价就无法实现。为了更好的掌握工作场所有害气体的扩散规律,更全面的对各种有害因素进行分析,更有效的进行职业病危害评价工作,对于工作场所有害气体的扩散问题,应研究一种定量的数学模型模型并应用到具体的评价工作中去。本文根据气体扩散定律,对气体介质在有限空间内的扩散问题进行研究并建立模型,并应用fluent软件对其进行模拟。

2有害气体扩散模型

对扩散模型的建立必须是建立在对有害气体扩散过程的研究基础上的。通过对扩散过程中的各种条件进行分析,并根据研究目的对扩散过程进行假设来完成模型的建立。

2.1 模型的建立

根据能量守恒定律微分形式,利用:(1)

本文主要研究的在有限空间发生的常规扩散,释放源假定为连续源,切假定定泄放时间较长,气体的泄放流量Q视为常数,所以可以认为扩散是定常的,并且忽略有害气体与空气的温度差异,所以更进一步假设:

(2)

根据上述假设条件,对泄放气体的扩散进行动

量平衡、质量平衡分析,可以推导出有害气体在室内湍流扩散的控制方程,如下:

连续性方程: (3)

浓度变化的湍流扩散微分方程: (4)

式中:ui(i=1,2,3)为在x,y,z坐标轴方向上的分量,m/s;Ei(i=1,2,3)为在x,y,z坐标轴方向上的湍流扩散系数,m/s;c为有害气体扩散的浓度,kg/m3;t 为扩散时间,s。湍流扩散系数可通过Pasquill-Gifford扩散曲线进行估算。

2.2 模型的简化

当有害气体在室内扩散到一定时间时,扩散流场达到稳定,扩散空间内的某一点的浓度是恒定的。

根据上述假设条件,在室内空气静止情况下(u=0),式(4)可以简化为:

(5)

初始条件:t=0,c→∞;固定壁面边界条件:x,y,z→∞,c→0 。对式(5)求解,得到有害气体在室内无风条件下扩散浓度场分布的公式:

(6)

若室内有风场时,由于风场的作用远远大于分子的扩散作用,所以式(4)可以简化为:

(7)

其初始条件和固定壁面条件和(5)相同,对式(7)进行求解,可以得出有害气体在室内通风条件下扩散浓度场分布的计算公式:

(8)

3 有害气体扩散的模拟实例

有害气体的扩散可以认为是自由射流。自由射流过程是有害气体与周围空气进行动量和质量的交换过程,也是有害气体与周围空气的混合过程。本文采用CFD软件FLUENT对有害气体的扩散过程进行模拟。

3.1 几何模型和数学模型

某厂建浴车间存在甲醛泄漏扩散问题,该建浴车间的平面几何模型如下图1所示:

图1 几何平面图

3.2 边界条件

建浴车间的温度恒定,设定为300 K,车间中只有盛放甲醛的容器为释放源,假设其释放强度为0.1kg/s,且不随时间变化,其它壁面无甲醛释放。对其边界条件设置如下:

甲醛容器:质量进口(mass flow inlet),0.1kg/s

窗:上风向速度入口(velocity inlet),1m/s

门:压力出口(pressure outlet),默认值

温度:300k

3.3 模型模拟

本文采用标准的k-ε模型,利用组分输运模式,在如上所设定的边界条件下,对甲醛在建浴车间中扩散的速度、浓度情况进行模拟。按照几何模型及边界条件的设定,对模拟结果分析如下:

3.3.1 收敛性与稳定性

计算过程中出口处平均速度和残差的收敛情况都比较理想,图2和图3分别为出口(门)的平均速度收敛曲线和迭代过程中的残差变化曲线,由图知在迭代120次后,速度达到稳定,残差收敛标准为1e-5。

3.3.2 甲醛的浓度分布

甲醛的浓度分布是模拟计算中的关键技术参数,可在模拟结果的基础上对甲醛扩散的现状进行评价,并制定相应的预防甲醛中毒以及现场应急救援的措施。甲醛的浓度分布如图4所示。

由浓度分布图可知,车间内甲醛的最高摩尔浓度为1.45×10-3kmol/m3,即43.5mg/m3。根据工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素(GBZ 2.1-2007)的规定,甲醛的最高容许浓度为0.5 mg/m3。由此可见,本车间的甲醛浓度远远高于国家标准规定,急需要采取措施进行整改。

4 结论

本文应用数学建模的方式对有害气体有限空间内稳定扩散的速度和浓度进行估计和模拟,根据扩

散时的通风情况和泄漏量的变化,确定有害气体扩散的速度和浓度分布情况。通过数学模型的方式对有害气体的扩散进行模拟可以方便、有效的获得扩散物质的浓度,为职业病危害评价工作提供了一种新的思路,可以作为职业病危害评价的辅助方法。

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作者简介:

赵晶(1985- ),女(汉族),内蒙古赤峰市人,2007年1月毕业于首都经济贸易大学安全工程系,同年9月免试保送到该校安全工程系为硕士研究生,已发表论文2篇,目前研究方向为气体泄漏扩散及仿真。

基金项目:

首都经济贸易大学研究生科技创新资助项目