CN102902860A

CN102902860A - 基于cfd技术的工作场所职业暴露模拟分析方法

Info

Publication number: CN102902860A
Application number: CN 201210387438
Authority: CN
Inventors: 黄德寅; 刘茂; 胡利明; 李敏嫣; 张倩
Original assignee: Labor Hygiene Institute Of Tianjin Bohai Chemical Industry Group Co Ltd
Current assignee: Labor Hygiene Institute Of Tianjin Bohai Chemical Industry Group Co Ltd
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一项基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析方法，经过CFD三维建模确定模拟场景根据所需模拟的装置区布局图即可构建整个模拟区域的三维网格；在FLUENT前处理软件GAMBIT中从下至上的方法构建整个模拟区域的网格。在FLUENT中，根据待模拟泄漏场景进行参数设定：根据有毒气体的释放状态选择合适的计算模型、定义物质物理性质、设置边界条件、流场初始化等。利用FLUENT自带的后处理功能以及专业软件如Tecplot来对结果进行分析，得到毒气泄漏模拟的气体扩散路径、扩散速度场、大气压力场、浓度场分布等，从而分析得出工作场所有毒气体泄漏扩散规律、暴露浓度等。

Description

基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析方法

技术领域

本发明属预防医学职业卫生与职业病控制技术及职业健康风险管理科学技术领域，特别是提出一种基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析技术，主要应用于建设项目职业病危害评价中的职业暴露评估、有害物质暴露评价的定量分析及实际应用等工作。

本研究采用CFD方法进行职业危害暴露模拟，利用FLUENT软件三维计算机模拟技术揭示原油炼制作业场所空气中有毒气体浓度场分布规律，并且实现了可视化。采用基于CFD方法的FLUENT软件实现在职业病危害评价进行在巡检、采样、跑冒滴漏等复杂条件下的职业暴露评估，可以用于有害物质暴露评价的定量分析及实际应用，并且通过计算机技术实现了职业暴露评估的可视化。

背景技术

职业暴露评估是风险分析中关键部分，其结果影响风险评价的准确性和可靠性，国内外都将职业暴露评估作为职业卫生工作和科研的重点。暴露评价方面的研究主要包括对环境中有害物质浓度的监测，对暴露个体内剂量或生物效应剂量的测定，以及基于数学模拟方法对暴露剂量的预测等。

目前，国外很多国家在污染物扩散评估技术上多采用综合评估技术，其中数学模型和计算机数值模拟尤其是计算流体动力学（CFD）技术的应用上发展很快，CFD技术由于低成本和较高精度的特点，得到了国内外学者的广泛应用。其中以应用FLUENT实现污染物扩散的三维的计算机模拟，得出模拟结果更精确。但目前的研究模拟的毒气泄漏场景大多比较单一，主要集中在急性中毒事故泄漏的模拟，未能充分考虑正常工况不同操作条件下的跑冒滴漏及扩散规律的影响。

本发明采用CFD技术研究工作场所有害物质在巡检、采样、跑冒滴漏等复杂条件下的职业暴露评估方法，通过FLUENT软件实现有毒气体泄漏后的浓度场分布的计算机模拟，实现跑冒滴漏的浓度场分布的计算机模拟。

发明内容

本发明的目的是提供一项基于CFD模拟的工作场所职业暴露评估技术。

一项基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析方法，采用广泛应用的FLUENT软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析工作场所的有毒气体跑冒滴漏及扩散规律。

本发明的具体技术方案如下：

1、CFD三维建模

（1）确定模拟场景

根据所需模拟的装置区布局图即可构建整个模拟区域的三维网格。确定毒气泄漏点位、气象条件等。

（2）网格划分

按照由点到线，由线到面，由面到体的步骤，在FLUENT前处理软件GAMBIT中从下至上的方法构建整个模拟区域的网格。为了便于模拟和更好的划分网格，采用混合网格划分方法，由于装置区的面与面之间大小差别很大，模型非常不规则，因此选用适应性强的非规则网格。

在CFD模拟，网格划分是非常关键的一步，网格划分的好坏关系到运算时收敛速度的快慢和解能达到的精度，也是非常花费时间的一步，划分网格经常要占到整个模拟中一半以上的时间。

2、FLUENT求解

（1）参数设置

在FLUENT中，根据待模拟泄漏场景进行参数设定：根据有毒气体的释放状态选择合适的计算模型、定义物质物理性质、设置边界条件、流场初始化等。

（2）FLUENT迭代运算

经过相关参数设置后，可以开始进行迭代运算，当在残差图中看到残差不再下降时，可以认为运算已经收敛，停止运算，得到运算结果。

3、结果分析

利用FLUENT自带的后处理功能以及专业软件如Tecplot来对结果进行分析，得到毒气泄漏模拟的气体扩散路径、扩散速度场、大气压力场、浓度场分布等，从而分析得出工作场所有毒气体泄漏扩散规律、暴露浓度等。

附图说明

图1：基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析实施技术路线图；

图2：常减压装置平面布局图；

图3：常减压装置网格划分图；

图4：有风时采样点泄漏场景下气体流动速度分布图；

图5：有风时采样点泄漏场景下装置区大气压力分布图；

图6：有风时采样点泄漏场景下泄漏物质的扩散路径图；

图7：有风时采样点泄漏苯浓度扩散分布图；

图8：无风时采样点泄漏苯浓度扩散分布图。

具体实施方式

本项基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析技术，主要主要应用于建设项目职业病危害评价中的职业暴露评估、有害物质暴露评价的定量分析及实际应用等工作。

基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析技术内容及方法实施步骤见附图1。

基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟案例分析

1、CFD三维建模

（1）确定模拟场景

某石化企业常减压蒸馏装置加工原油能力130万吨/年，年加工时数为8400小时，主要生产乙烯料、重整料、航煤馏份、柴油馏份及常压重油等。常减压蒸馏生产装置区包括原油予处理及换热系统、初塔系统、常压系统、吸收塔系统等工艺单元及储罐区、泵房等公用工程系统等。在平面布置上分为冷换区、热换区、电脱盐、塔区、泵房、框架等区域，参见附图2。

装置区初常顶瓦斯气、轻石脑油、含硫污水，储罐区凝析油储罐罐顶导向柱内油蒸气、泵排空时油蒸气等每班需要进行采样，装置内物料定量分析常减压等装置物料/油品蒸气定量检测结果见表1。鉴于苯为能够导致作业工人白血病的高毒性，应用本项发明技术模拟工作场所苯职业暴露情况。

表1常减压等装置物料/油品蒸气定量检测结果

场景的确定：初常顶瓦斯气体采样口、脱前采样口、初顶轻石脑油采样口和D119含硫污水采样口等采样时苯发生跑冒滴漏；气象条件模拟有风及无风两种状态。

模拟场景及模拟气象条件详见表2、3。

表2采样点泄漏模拟场景

表3模拟气象条件

（2）网格划分

根据所需模拟的常减压装置区布局图即可构建整个模拟区域的三维网格。按照由点到线，由线到面，由面到体的步骤，在FLUENT前处理软件GAMBIT中从下至上的方法构建了整个模拟区域的网格。网格建立范围为180×180×60m³。

为了便于模拟和更好的划分网格，采用混合网格划分方法，由于装置区的面与面之间大小差别很大，模型非常不规则，因此只能选用适应性强的非规则网格。采用先划分线，然后划分面，最后划分体，最后划分结果可以看出装置区的网格划分不是结构化网格，网格疏密程度不一致，同时网格也采用了四边形和三角形混合网格划分的方法。如附图3所示。

2、FLUENT求解

（1）参数设置

划分完网格以后在GAMBIT中按照表4数据定义各释放面为速度进口（Mass-Flow-Inlet），同时将通风系统中进风口也定义为速度进口（Velocity-Inlet），出风口定义为压力出口（Pressure-Outlet），其他的面不用设置，GAMBIT会在生成网格文件时将设置边界类型的面都设置成为Wall类型。

表4模拟边界条件

（2）FLUENT迭代运算

3、结果分析

利用FLUENT自带的后处理功能以及专业软件如Tecplot来对结果进行分析，得到毒气泄漏模拟的扩散路径、浓度场分布等，从而分析得出工作场所有毒气体泄漏扩散规律、影响范围和变化情况。

（1）采样点泄漏模拟扩散路径、浓度场等分布

在电脱盐、含硫污水和初顶轻石脑油采样的过程中，有一些样品泄漏出来，其中包含苯等有害物质。利用FLUENT可以得到模拟场景下的速度分布图、压力分布图、扩散路径图及浓度场分布图等，通过分析得到预定模拟场景条件下的模拟结果如下：

（1）速度分布图显示在北风的作用下，气流大致向南流动，但是由于模拟区域存在着各种构筑物，在一些构筑物的背面存在扩散物的漩涡流。见附图4。

（2）压力分布图显示装置区的大气压力，在北风的作用下，各处的气压存在较大的差异，在建筑的迎风面压力较大，在背风面压力较小，地面的压力比空中的压力大。见附图5。

（3）扩散路径图显示污染物的扩散路径，泄漏污染物总体上顺着下风向扩散，由于考虑了重力影响，因此从空中跨越建筑的污染物较少。见附图6。

（4）浓度场图显示的是苯浓度分布规律：①在有风气象条件下，当采样点发生跑冒滴漏时，可对下风向装置区造成较大的污染，在上风向污染较小，在风力作用下，污染区域相对较小，没有无风的影响范围大。②在无风状态下采样点跑冒滴漏对装置区造成的影响更为严重，其影响范围更大，但是对外操室的影响不如有风时严重。见附图7、图8。

（2）基于FLUENT计算机模拟的苯的暴露浓度值

对于电脱盐、含硫污水和初顶轻石脑油采样时的苯暴露，均匀取距离采样点半径0.5m圆上的10个点，各点上苯的浓度值如表5所示；对于跑冒滴漏状态下的苯暴露，巡检路线上的60个点。

表5距离各采样口0.5m处苯的浓度值采样点泄漏模拟结果

利用SPSS软件分别对各采样口0.5m处苯的浓度值采用单样本Kolmogorov-Smirnov检验，所得结果如表6所示。对巡检路线上模拟点位的苯浓度值取对数后采用单样本Kolmogorov-Smirnov检验，如表7。则上述各种情况下苯的浓度的分布如表8。

表6采样点苯浓度的单样本Kolmogorov-Smirnov检验

a.检验分布为正态分布；b.根据数据计算得到

表7巡检路线上的单样本Kolmogorov-Smirnov检验

a.检验分布为正态分布；b.根据数据计算得到

表8苯的浓度分布

（3）模拟结果分析与讨论

FLUENT软件模拟的结果显示：在有风气象条件下，当采样点发生跑冒滴漏时，可对下风向装置区造成较大的污染，在上风向污染较小，在风力作用下，污染区域相对较小，没有无风的影响范围大；在无风状态下采样泄漏对装置区造成的影响更为严重，其影响范围更大，但是对外操室的影响不如有风时严重。模拟结果提示采样时尽量站在采样口的上风向，以减少在苯当中的暴露；由于含硫污水和电脱盐采样的苯浓度对于致癌风险的敏感性较高，在这两个位置采样时要更加注意；当跑冒滴漏点和跑冒滴漏的量增加，或者工人操作不当时，各个位置的暴露浓度可能高于假设的模拟数值，相应的致癌风险也会增加，因此工人要严格按照规定操作，如果发生泄漏或者严重的跑冒滴漏，要及时处理和防护。

Claims

1.一种基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析方法；其特征是采用FLUENT软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析工作场所的有毒气体跑冒滴漏及扩散规律。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是步骤如下：

1）CFD三维建模

（1）确定模拟场景

根据所需模拟的装置区布局图构建整个模拟区域的三维网格；确定毒气泄漏点位、气象条件；

（2）网格划分

按照由点到线，由线到面，由面到体的步骤，在FLUENT前处理软件GAMBIT中从下至上的方法构建整个模拟区域的网格；采用混合网格划分方法，选用非规则网格；

2）FLUENT求解

（1）参数设置

在FLUENT中，根据待模拟泄漏场景进行参数设定：根据有毒气体的释放状态选择合适的计算模型、定义物质物理性质、设置边界条件、流场初始化；

（2）FLUENT迭代运算

经过相关参数设置后，可以开始进行迭代运算，当在残差图中看到残差不再下降时，认为运算已经收敛，停止运算，得到运算结果；

3）结果分析

利用FLUENT自带的后处理功能以及专业软件，如Tecplot来对结果进行分析，得到毒气泄漏模拟的气体扩散路径、扩散速度场、大气压力场、浓度场分布等，从而分析得出工作场所有毒气体泄漏扩散规律、暴露浓度。