引 言

随着我国石油炼化能力的提高和大型油库的建设，大规模油罐群随处可见。其中，内浮顶罐的浮盘与罐壁之间以及浮盘本身因密封不严、操作不当、年久失修、腐蚀穿孔等故障会发生缝隙或孔隙泄漏，不仅增加了油品的蒸发损耗，还会带来一系列的安全、环境、健康、节能等问题[1]。气流在流过储罐时，会产生一些气流旋涡，不当的布局会产生一些“涡流死角”（图1）[2]，不利于空气的流动及油气的排散，油气的叠加效应更容易造成火灾等事故。数值模拟在描述圆柱体绕流及组分扩散现象中也有着广泛的应用[3-13]。有很多学者利用实验和Fluent 等数值模拟方法，对常规的拱顶罐、外浮顶罐、内浮顶罐以及加油站油气扩散传质进行研究，揭示罐内油品蒸发和油气-空气扩散传质及罐外排放的规律[14-18]。

风洞测试平台具有可控制和可重复的优越性能，除了应用于航空航天、军事之外，在国民经济其他领域里也同样大显身手。在进行风洞实验时，模型尺寸将会对模拟结果产生一定的影响，为了使其对结果的影响降到最低，模型距离风洞边界应当足够远，使得风洞边界对研究区域的影响忽略不计。阻塞率一般认为不应大于3%[19-20]。北京大学环境科学中心[21]通过风洞研究了重气在瞬时泄漏和连续泄放两种情况下的扩散行为，在此基础上，还研究了不同的障碍物对重气扩散的影响。Maher[22]通过风洞，研究了穹顶和锥顶储罐的几种常见的罐型。Purdy 等[23]进行了平顶储罐的风荷载实验研究，并获得了相应风荷载数据。MacDonald 等[24]采用风洞实验，对不同顶盖形式、不同罐大小和不同Reynolds数下的油罐壁面和顶盖的风荷载进行研究。Portela等[25-26]在风洞中先后对不同高径比和不同顶盖形式下的圆柱壳进行了实验研究，获得了相应的风压分布规律。Sabransky 等[27]以农村地区的开阔地形为背景，在风洞中模拟了锥顶粮仓的风荷分布规律，还研究了粮仓锥顶的坡度和粮仓壁高径比这两种参数对粮仓筒仓结构的风载荷产生的影响。王淑兰等[28]通过直流式风洞实验平台，测定了可燃气体发生泄漏事故后的体积分数，使用气象层析仪来分析浓度的分布情况，并使用风速仪对风速分布进行了测定，最终得出了一个在不同风速环境和不同泄漏速率的情况下，可燃气体发生扩散时，危险气体体积分数和范围。

目前对内浮顶罐密封圈的油气泄漏研究主要分为三个方向：一是关于油气泄漏的数值模拟；二是关于密封圈固定灭火系统的研究；三是关于油气爆炸的模拟。本文采用低速直流风洞实验平台，用自制的1000 m3内浮顶罐缩小比模型，研究了单罐、双罐和四罐的油气泄漏的扩散规律（后续将继续研究不同风速、不同风向角、更多储罐数量等因素下的油气泄漏扩散规律）。

1 风洞测试方法

图2 为本实验室自制的直流式风洞（型号：DFWT-10）。该风洞采用后置变频防爆风机调速引流、可控式太阳灯辐射加热的直流式风洞平台，主要由集气段、稳定段、收缩段、实验段、第一扩散段、动力段及第二扩散段组成。风洞实验段的设计风速范围为0.5～10（20）m/s，实验段设计风湍流强度在30%～40%，以便模拟自然风条件。实验段横断面为1.5 m ×1.5 m 的正方形，实验段长度为3 m，实验段正面中部设置有密封条件良好的外开门，以便放置油罐。

实验中所使用的测试设备如下：

图1 风洞实验中气流经过储罐形成的涡流死角Fig.1 Vortexes formed by airflow through tank in wind tunnel experiment

图2 风洞外观图Fig.2 Wind tunnel for experiments

图3 风洞实验示意图Fig.3 Schematic diagram of wind tunnel experiment

（1）色谱仪。岛津公司GC-2010 Plus 气相色谱仪。气相色谱仪的毛细管色谱柱：Rtx-1，30 m ×0.25 mm × 0.25 μm。对气体中的VOCs 浓度进行测定，参照标准HJ 38—2017，采用FID 检测，有机蒸气浓度测试以非甲烷总烃浓度（mg/m3）计。

（2）风速仪。Fluke 923，风速（标准）量程：0.20～20 m/s，温度量程：-20～60℃。

（3）电子天平。WT--1B 电子天平，量程0.0000～30.0000 kg，分辨率0.0001 kg。

（4）取样器。QC-4S 防爆型大气采样仪，流速0.1～1.5 L/min。

采用自制的1000 m3内浮顶罐模型。参考设计规范[29-30]将内浮顶罐按32∶1 比例缩小制成，该比例保证了油罐在风洞中的阻塞率。储罐直径344 mm，边圈缝隙宽6 mm，罐壁高395 mm，顶盖高41 mm。罐壁顶部和顶盖边缘各自均匀分布4 个气孔，气孔宽17 mm，高9 mm，尺寸的加工精度为±2 mm。罐内气体空间直接与边圈处储液接触。罐壁顶部有4个通气孔。采用气体取样器对罐周围的气体进行取样，并用气相色谱仪分别得出不同取样点的浓度。采用便携式风速仪测量风洞内不同点位的风速。用电子天平测得蒸发损耗量（每隔1 h 称重一次，质量差即为蒸发损耗量，测5 组，取平均值）。经实验每小时测得的蒸发损耗量误差在0.01 kg 左右。然后计算出损耗速率，导入Fluent中，由于正己烷的组分单一，挥发性适中，故本实验采用正己烷作为常规油品的代表物。为了研究挥发气体的气流路径，采用白色的可见烟雾来进行观察。实验示意图如图3所示。