危险化学品在实验室中的应用非常普遍，其导致的安全事故常有报道。据研究 ^[1]，爆炸、火灾事故是高校实验室发生最多的事故类型，其中绝大多数是危险化学品导致的，而易燃气体及加压气体导致的事故数位居第二位，事故原因有不安全行为、不安全环境等。气瓶超期服役、排风效果有限、未设置报警和事故通风系统、不按规范操作等 ^[2]是常见的安全隐患，因此，有必要加强易燃气体及加压气体的规范管理和使用，维护实验室安全。

某环境监测实验室的常用气体有氮气、氩气、氦气和乙炔，集中存放于气瓶室，设置有通风扇和事故通风装置。乙炔属于1类易燃气体、A类化学不稳定性气体 ^[3]，可与空气形成爆炸性混合物，点火能量、与空气混合物的自燃点均较低，受热、振动、电火花等都可引起爆炸，是我国首批重点监管的危险化学品 ^[4]。乙炔气体泄漏后若不及时科学处置，很可能导致严重事故发生，造成人员伤亡和财产损失 ^{[1, 5-6]}。为科学分析该实验室乙炔气体意外泄漏后的危险性，可采取计算流体力学方法（co mputational fluid dyna mics，CFD）进行仿真模拟。

基于计算流体力学方法的仿真软件FLUENT可有效模拟复杂环境中的气体流动扩散过程，可用于氢气 ^[7]、甲烷 ^[8]、氨气 ^[9]、天然气 ^[10]、工作场所环己酮 ^[11]等室内气体的泄漏或弥散，地下管廊液氮灭火试验 ^[12]、隧道内氢气泄漏 ^[13]、氢燃料电池汽车内氢气泄漏 ^[14]、埋地管道气体泄漏 ^[15]、受限空间内天然气泄漏 ^[16]、非金属管道小孔泄漏 ^[17]等有限空间中的气体泄漏，以及开敞空间液化天然气泄漏 ^[18]等气体泄漏扩散的过程研究，均获得了较好的模拟效果。本研究利用FLUENT软件，拟采用数值模拟方法研究该实验室乙炔气体泄漏后，空气中乙炔体积分数在不同条件下随时间、空间分布的扩散过程、爆炸危险范围，并据此提出优化的管理措施，为科学、有效地开展实验室乙炔气体管理提供技术支撑。

危险化学品在实验室中的应用非常普遍，其导致的安全事故常有报道。据研究 ^[1]，爆炸、火灾事故是高校实验室发生最多的事故类型，其中绝大多数是危险化学品导致的，而易燃气体及加压气体导致的事故数位居第二位，事故原因有不安全行为、不安全环境等。气瓶超期服役、排风效果有限、未设置报警和事故通风系统、不按规范操作等 ^[2]是常见的安全隐患，因此，有必要加强易燃气体及加压气体的规范管理和使用，维护实验室安全。

某环境监测实验室的常用气体有氮气、氩气、氦气和乙炔，集中存放于气瓶室，设置有通风扇和事故通风装置。乙炔属于1类易燃气体、A类化学不稳定性气体 ^[3]，可与空气形成爆炸性混合物，点火能量、与空气混合物的自燃点均较低，受热、振动、电火花等都可引起爆炸，是我国首批重点监管的危险化学品 ^[4]。乙炔气体泄漏后若不及时科学处置，很可能导致严重事故发生，造成人员伤亡和财产损失 ^{[1, 5-6]}。为科学分析该实验室乙炔气体意外泄漏后的危险性，可采取计算流体力学方法（co mputational fluid dyna mics，CFD）进行仿真模拟。

基于计算流体力学方法的仿真软件FLUENT可有效模拟复杂环境中的气体流动扩散过程，可用于氢气 ^[7]、甲烷 ^[8]、氨气 ^[9]、天然气 ^[10]、工作场所环己酮 ^[11]等室内气体的泄漏或弥散，地下管廊液氮灭火试验 ^[12]、隧道内氢气泄漏 ^[13]、氢燃料电池汽车内氢气泄漏 ^[14]、埋地管道气体泄漏 ^[15]、受限空间内天然气泄漏 ^[16]、非金属管道小孔泄漏 ^[17]等有限空间中的气体泄漏，以及开敞空间液化天然气泄漏 ^[18]等气体泄漏扩散的过程研究，均获得了较好的模拟效果。本研究利用FLUENT软件，拟采用数值模拟方法研究该实验室乙炔气体泄漏后，空气中乙炔体积分数在不同条件下随时间、空间分布的扩散过程、爆炸危险范围，并据此提出优化的管理措施，为科学、有效地开展实验室乙炔气体管理提供技术支撑。

1.   对象与方法

1.   对象与方法

1.1   研究对象

以某环境监测实验室的某楼层为原型建立几何模型，整个实验室采用中间走廊和两侧房间的轴对称布局，总建筑面积36.0 m × 20.4 m，共12个房间，每个房间均有门窗，步梯间、配电间和电梯位于楼体中间南侧，楼层每个房间内设置有局部排风设备如排风罩或通风橱。气瓶室位于该楼层西北角612室内，室内体积为31.26 m³。气瓶室共存放8个气瓶，其中乙炔瓶1个，满瓶容量40 L，充气压力15 MPa，位于该室东南角，其余7个气瓶均装载常用惰性气体。气瓶室北墙设机械通风扇，通风扇直径0.26 m，其中心距地高度2.5 m、距侧面内墙0.7 m，换气量240 m³/h。

运用SolidWorks软件构建出该楼层的三维几何模型，楼层内各房间（含步梯间、电梯间）、门、窗空间基本尺寸和经过适当简化的实验台、排风设施等附属装置如图 1所示，612室的设施布局见放大图（方框箭头左向所指）。图中，坐标原点位于走廊西侧地面中心位置，X轴正方向朝东，Y轴正向朝北。

图  1  实验室平面布局（长度单位：m）

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1.1   研究对象

以某环境监测实验室的某楼层为原型建立几何模型，整个实验室采用中间走廊和两侧房间的轴对称布局，总建筑面积36.0 m × 20.4 m，共12个房间，每个房间均有门窗，步梯间、配电间和电梯位于楼体中间南侧，楼层每个房间内设置有局部排风设备如排风罩或通风橱。气瓶室位于该楼层西北角612室内，室内体积为31.26 m³。气瓶室共存放8个气瓶，其中乙炔瓶1个，满瓶容量40 L，充气压力15 MPa，位于该室东南角，其余7个气瓶均装载常用惰性气体。气瓶室北墙设机械通风扇，通风扇直径0.26 m，其中心距地高度2.5 m、距侧面内墙0.7 m，换气量240 m³/h。

运用SolidWorks软件构建出该楼层的三维几何模型，楼层内各房间（含步梯间、电梯间）、门、窗空间基本尺寸和经过适当简化的实验台、排风设施等附属装置如图 1所示，612室的设施布局见放大图（方框箭头左向所指）。图中，坐标原点位于走廊西侧地面中心位置，X轴正方向朝东，Y轴正向朝北。

图  1  实验室平面布局（长度单位：m）

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1.2   研究方法

1.2   研究方法

1.2.1   气体泄漏模型

本研究假设气瓶室中乙炔气体因意外原因发生泄漏，采用数值模拟法分析其扩散过程。乙炔气体泄漏扩散的数值模拟将多组分流动视为不可压缩流，须启用无化学反应的组分输运模型求解。由于需要求解的各组分气体体积分数随时间变化在空间上的分布变化，本次模拟还需要启用非稳态求解。乙炔自乙炔瓶中泄漏时气体体积急剧变化，该过程与气瓶室内空气有少量的热量交换，因此还需要启用能量方程，但此过程中气流温度的略微变化并不会影响气体的浓度。

乙炔瓶最易发生泄漏的位置为阀门及管道连接处，泄漏口形状为常规泄漏形状，由于泄漏口对整个环境而言可看作小孔泄漏，因此，利用伯努利方程与绝热方程，可得出泄漏速度V₀计算公式 ^[8]为：

式中：φ为流速系数，一般取0.97 ~ 0.98；K为绝热系数，乙炔取K = 1.235；R为气体常数，8.314 J/（mol·K）；T₁为气体温度，K；P₀为环境压力，Pa；P₁为气体泄漏前压力，即气瓶内介质压力，Pa。

1.2.1   气体泄漏模型

本研究假设气瓶室中乙炔气体因意外原因发生泄漏，采用数值模拟法分析其扩散过程。乙炔气体泄漏扩散的数值模拟将多组分流动视为不可压缩流，须启用无化学反应的组分输运模型求解。由于需要求解的各组分气体体积分数随时间变化在空间上的分布变化，本次模拟还需要启用非稳态求解。乙炔自乙炔瓶中泄漏时气体体积急剧变化，该过程与气瓶室内空气有少量的热量交换，因此还需要启用能量方程，但此过程中气流温度的略微变化并不会影响气体的浓度。

乙炔瓶最易发生泄漏的位置为阀门及管道连接处，泄漏口形状为常规泄漏形状，由于泄漏口对整个环境而言可看作小孔泄漏，因此，利用伯努利方程与绝热方程，可得出泄漏速度V₀计算公式 ^[8]为：

式中：φ为流速系数，一般取0.97 ~ 0.98；K为绝热系数，乙炔取K = 1.235；R为气体常数，8.314 J/（mol·K）；T₁为气体温度，K；P₀为环境压力，Pa；P₁为气体泄漏前压力，即气瓶内介质压力，Pa。

1.2.2   网格划分及验证

将SolidWorks软件建立的三维几何模型导入ANSYS Workbench平台，并调用DesignModeler软件对模型进行布尔操作，最后运用meshlab软件，采用三维的Tet/Hybrid网格单元、TGrid网格类型对模型进行网格划分，网格基本尺寸为0.4 m。运用Refinement方法对气瓶室、排风管道等部位进行网格局部加密，最终划分出网格总数为1 541 071个。见图 2。对网格单元畸变度和正交程度质量进行检查，发现生成的网格质量良好，满足本次模拟精度对于网格质量的要求。图中，坐标原点（两箭头交叉处）位于走廊西侧地面中心位置，X轴正方向朝东，Y轴正向朝北。

图  2  网格划分

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1.2.2   网格划分及验证

将SolidWorks软件建立的三维几何模型导入ANSYS Workbench平台，并调用DesignModeler软件对模型进行布尔操作，最后运用meshlab软件，采用三维的Tet/Hybrid网格单元、TGrid网格类型对模型进行网格划分，网格基本尺寸为0.4 m。运用Refinement方法对气瓶室、排风管道等部位进行网格局部加密，最终划分出网格总数为1 541 071个。见图 2。对网格单元畸变度和正交程度质量进行检查，发现生成的网格质量良好，满足本次模拟精度对于网格质量的要求。图中，坐标原点（两箭头交叉处）位于走廊西侧地面中心位置，X轴正方向朝东，Y轴正向朝北。

图  2  网格划分

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1.2.3   模拟参数的设定及求解

模拟1个满瓶乙炔瓶发生乙炔气体泄漏，泄漏口位于出气口，距地高度约1 m。根据实验室的实际情况及相关实测数据，结合数学模型和FLUENT的模拟方法，确定数值模拟的各参数及边界条件设置，见表 1。

表  1  计算模型参数设定

边界条件	参数设定		边界条件	参数设定
求解器	压力基求解器		水力直径	A 型窗户：0.74 m B 型窗户：0.93 m C 型窗户：0.91 m D 型窗户：0.95 m 气瓶室排气口：0.26 m实验台 排气口：0.32 m 泄漏口：0.021 7 m
湍流模型	k-ε双方程模型
组分输运模型	乙炔与空气
时间	非稳态
时间步长	1s
能量	打开
入口边界类型	速度入口
入口速度	A型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s B型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s C型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s D型窗户：1 m/s 气瓶室排气口：1 m/s；-1.256 m/s 实验台排气口：-6.22 m/s 泄漏口：126.35 m/s		湍流强度	A型窗户：4.51%；4.14%；3.79%；3.48% B型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s C型窗户：4.4%；4.02%；3.7%；3.39% D型窗户：4.01% 气瓶室排气口：4.595%；4.58% 实验台排气口：3.66% 泄漏口：3.26%
出口边界类型	压力出口

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其中，水力直径按照公式（2）计算：

式中：A为过流断面面积，m²；S为流体与固体基础周长，m。

湍流强度按式（3）计算：

式中：u'，u分别为湍流脉动速度与平均速度，m/s；Re_H为按水力直径计算的雷诺数。湍流强度越大，表示该位置的气体流动的速度和方向变化越大。

1.2.3   模拟参数的设定及求解

模拟1个满瓶乙炔瓶发生乙炔气体泄漏，泄漏口位于出气口，距地高度约1 m。根据实验室的实际情况及相关实测数据，结合数学模型和FLUENT的模拟方法，确定数值模拟的各参数及边界条件设置，见表 1。

表  1  计算模型参数设定

边界条件	参数设定		边界条件	参数设定
求解器	压力基求解器		水力直径	A 型窗户：0.74 m B 型窗户：0.93 m C 型窗户：0.91 m D 型窗户：0.95 m 气瓶室排气口：0.26 m实验台 排气口：0.32 m 泄漏口：0.021 7 m
湍流模型	k-ε双方程模型
组分输运模型	乙炔与空气
时间	非稳态
时间步长	1s
能量	打开
入口边界类型	速度入口
入口速度	A型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s B型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s C型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s D型窗户：1 m/s 气瓶室排气口：1 m/s；-1.256 m/s 实验台排气口：-6.22 m/s 泄漏口：126.35 m/s		湍流强度	A型窗户：4.51%；4.14%；3.79%；3.48% B型窗户：0.5 m/s；1 m/s；2 m/s；4 m/s C型窗户：4.4%；4.02%；3.7%；3.39% D型窗户：4.01% 气瓶室排气口：4.595%；4.58% 实验台排气口：3.66% 泄漏口：3.26%
出口边界类型	压力出口

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其中，水力直径按照公式（2）计算：

式中：A为过流断面面积，m²；S为流体与固体基础周长，m。

湍流强度按式（3）计算：

式中：u'，u分别为湍流脉动速度与平均速度，m/s；Re_H为按水力直径计算的雷诺数。湍流强度越大，表示该位置的气体流动的速度和方向变化越大。

2.   结果与讨论

2.   结果与讨论

2.1   乙炔气体泄漏扩散随时间变化分析

根据假设条件，通过乙炔瓶容积及泄漏孔径计算，当泄漏发生后134 s时乙炔气体将泄漏完毕。对乙炔气体泄漏后气瓶室内风流流场、监测点处乙炔体积分数随时间变化过程进行数值模拟，模拟过程中保持楼层所有门窗全部开启，开启组分输运模型，参照泄漏扩散模拟参数设置，基于安全和数据可靠性考虑，选择以气瓶室房门断面处为监测点，最终模拟得到不同条件下乙炔体积分数随时间变化过程，模拟结果如图 3、图 4、图 5所示。

图  3  气瓶室中乙炔体积分数随时间变化的空间分布

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图  4  不同排风措施下乙炔体积分数随时间变化过程

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图  5  监测点不同风速下乙炔体积分数随时间变化曲线

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（1）气瓶室中乙炔体积分数随时间变化的空间分布见图 3。乙炔泄漏后，因其密度小于空气密度，在泄漏口上部不断聚集（见图 3a），并汇聚至气瓶室顶部，随着泄漏过程的不断发展，泄漏气体扩散至整个气瓶室（见图 3b），乙炔体积分数呈现先快速增大、达到最大值后逐步减小的趋势，134 s时泄漏量达到最大值（见图 3c）；紧急排风扇在乙炔体积分数达到1.15%时自动开启排风，到300 s时乙炔在排风扇作用下已基本排除干净（见图 3d）。

（2）实验室不同排风措施下泄漏气体随时间变化的扩散过程见图 4。总体来看，采用气瓶室机械通风扇、实验台排风罩及两种排风设施联合排风等不同排风措施不影响气体扩散趋势，且对监测点处乙炔体积分数的影响十分有限，在相同时刻的偏差范围仅为0.1% ~ 0.5%，这可能是因为监测点距离泄漏口较近，而各排风口距离泄漏口较远，且乙炔从房间上部扩散，位置高于实验室各排风口位置，各种排风措施难以有效降低监测点处的乙炔体积分数。

（3）不同风速下乙炔体积分数随时间变化过程如图 5所示，风速越大，越有利于乙炔气体的快速扩散和含量降低。风速越大，乙炔气体在空气中扩散速度越快，监测点处乙炔体积分数随时间变化均呈现先急剧上升至最大值，然后再快速降低的趋势。随着风速的变大，达到最大值的时间也减少。风速越大，监测点处乙炔体积分数最大值越低，当风速为0.5 m/s时，监测点处乙炔体积分数的最大值为2.2%，当风速增大至4 m/s时，乙炔体积分数的最大值仅为0.45%。

2.1   乙炔气体泄漏扩散随时间变化分析

根据假设条件，通过乙炔瓶容积及泄漏孔径计算，当泄漏发生后134 s时乙炔气体将泄漏完毕。对乙炔气体泄漏后气瓶室内风流流场、监测点处乙炔体积分数随时间变化过程进行数值模拟，模拟过程中保持楼层所有门窗全部开启，开启组分输运模型，参照泄漏扩散模拟参数设置，基于安全和数据可靠性考虑，选择以气瓶室房门断面处为监测点，最终模拟得到不同条件下乙炔体积分数随时间变化过程，模拟结果如图 3、图 4、图 5所示。

图  3  气瓶室中乙炔体积分数随时间变化的空间分布

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图  4  不同排风措施下乙炔体积分数随时间变化过程

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图  5  监测点不同风速下乙炔体积分数随时间变化曲线

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（1）气瓶室中乙炔体积分数随时间变化的空间分布见图 3。乙炔泄漏后，因其密度小于空气密度，在泄漏口上部不断聚集（见图 3a），并汇聚至气瓶室顶部，随着泄漏过程的不断发展，泄漏气体扩散至整个气瓶室（见图 3b），乙炔体积分数呈现先快速增大、达到最大值后逐步减小的趋势，134 s时泄漏量达到最大值（见图 3c）；紧急排风扇在乙炔体积分数达到1.15%时自动开启排风，到300 s时乙炔在排风扇作用下已基本排除干净（见图 3d）。

（2）实验室不同排风措施下泄漏气体随时间变化的扩散过程见图 4。总体来看，采用气瓶室机械通风扇、实验台排风罩及两种排风设施联合排风等不同排风措施不影响气体扩散趋势，且对监测点处乙炔体积分数的影响十分有限，在相同时刻的偏差范围仅为0.1% ~ 0.5%，这可能是因为监测点距离泄漏口较近，而各排风口距离泄漏口较远，且乙炔从房间上部扩散，位置高于实验室各排风口位置，各种排风措施难以有效降低监测点处的乙炔体积分数。

（3）不同风速下乙炔体积分数随时间变化过程如图 5所示，风速越大，越有利于乙炔气体的快速扩散和含量降低。风速越大，乙炔气体在空气中扩散速度越快，监测点处乙炔体积分数随时间变化均呈现先急剧上升至最大值，然后再快速降低的趋势。随着风速的变大，达到最大值的时间也减少。风速越大，监测点处乙炔体积分数最大值越低，当风速为0.5 m/s时，监测点处乙炔体积分数的最大值为2.2%，当风速增大至4 m/s时，乙炔体积分数的最大值仅为0.45%。

2.2   不同风速下泄漏气体扩散过程分析

当乙炔瓶中乙炔气体全部泄漏完毕时（134 s），泄漏量的影响达到最大，该时间点不同风速下的风流流场空间分布如图 6所示。乙炔气体泄漏后，通过612室、走廊、房门扩散至对面3个房间内并通过窗户逸散至室外，基本不扩散至气瓶室同侧的其他房间。当风速为0.5 m/s时，泄漏气体难以快速扩散，导致气瓶室内乙炔气体聚集，空气中乙炔体积分数可高达10%左右（见图 6a），随着风速变大，气瓶室内乙炔气体扩散速度变快，空气中乙炔体积分数进一步降低（见图 6b、6c），当风速达到4 m/s时，气瓶室内乙炔体积分数可降至2%左右，难以形成高水平聚集（见图 6 d）。

图  6  不同风速下t = 134 s时乙炔体积分数空间分布

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2.2   不同风速下泄漏气体扩散过程分析

当乙炔瓶中乙炔气体全部泄漏完毕时（134 s），泄漏量的影响达到最大，该时间点不同风速下的风流流场空间分布如图 6所示。乙炔气体泄漏后，通过612室、走廊、房门扩散至对面3个房间内并通过窗户逸散至室外，基本不扩散至气瓶室同侧的其他房间。当风速为0.5 m/s时，泄漏气体难以快速扩散，导致气瓶室内乙炔气体聚集，空气中乙炔体积分数可高达10%左右（见图 6a），随着风速变大，气瓶室内乙炔气体扩散速度变快，空气中乙炔体积分数进一步降低（见图 6b、6c），当风速达到4 m/s时，气瓶室内乙炔体积分数可降至2%左右，难以形成高水平聚集（见图 6 d）。

图  6  不同风速下t = 134 s时乙炔体积分数空间分布

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2.3   窗户开合状态下泄漏气体扩散过程分析

乙炔气体泄漏134 s时窗户开启、关闭状态下实验室风流流场空间分布特征的数值模拟结果见图 7。模拟过程中设定风速为1 m/s，实验室内所有房间门保持开启。同时，为了模拟最极端扩散情况，设定气瓶室窗户和排气口均为开启状态，以保证乙炔气体泄漏后能快速扩散至实验室其他房间。可以看出：

（1）窗户开启数量越多，通风效果越好，越能在实验室空间形成有效的贯穿风流，越有利于气瓶室泄漏的乙炔气体的扩散、稀释和排出。

（2）窗户全部开启（见图 7a）状态下，泄漏气体可通过612室、走廊、房门扩散至对面几个房间内并排出，基本未扩散至气瓶室同侧的其他房间内。但此时气瓶室内空气中乙炔体积分数仍可达8%左右，612室内也存在较高含量的乙炔气体，走廊及对面房间内乙炔体积分数较低，随着时间的推移，监测点处乙炔体积分数逐渐降低，表明气瓶室及612室内乙炔体积分数也将逐渐降低。

图  7  窗户开合状态下t = 134 s时乙炔体积分数空间分布

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（3）窗户全部关闭（见图 7b）状态下，泄漏气体可通过612室、走廊、房门扩散至双侧房间内，气瓶室内乙炔体积分数最高，其次是612室，并在走廊西侧形成了一段乙炔体积分数在2% ~ 4%之间、长度超过3 m的气体聚集区域，因窗户关闭无法有效排出泄漏气体，随着时间的推移，气体的持续泄漏将扩散至整个楼层。

2.3   窗户开合状态下泄漏气体扩散过程分析

乙炔气体泄漏134 s时窗户开启、关闭状态下实验室风流流场空间分布特征的数值模拟结果见图 7。模拟过程中设定风速为1 m/s，实验室内所有房间门保持开启。同时，为了模拟最极端扩散情况，设定气瓶室窗户和排气口均为开启状态，以保证乙炔气体泄漏后能快速扩散至实验室其他房间。可以看出：

（1）窗户开启数量越多，通风效果越好，越能在实验室空间形成有效的贯穿风流，越有利于气瓶室泄漏的乙炔气体的扩散、稀释和排出。

（2）窗户全部开启（见图 7a）状态下，泄漏气体可通过612室、走廊、房门扩散至对面几个房间内并排出，基本未扩散至气瓶室同侧的其他房间内。但此时气瓶室内空气中乙炔体积分数仍可达8%左右，612室内也存在较高含量的乙炔气体，走廊及对面房间内乙炔体积分数较低，随着时间的推移，监测点处乙炔体积分数逐渐降低，表明气瓶室及612室内乙炔体积分数也将逐渐降低。

图  7  窗户开合状态下t = 134 s时乙炔体积分数空间分布

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（3）窗户全部关闭（见图 7b）状态下，泄漏气体可通过612室、走廊、房门扩散至双侧房间内，气瓶室内乙炔体积分数最高，其次是612室，并在走廊西侧形成了一段乙炔体积分数在2% ~ 4%之间、长度超过3 m的气体聚集区域，因窗户关闭无法有效排出泄漏气体，随着时间的推移，气体的持续泄漏将扩散至整个楼层。

2.4   乙炔气体泄漏扩散爆炸危险范围分析

乙炔爆炸浓度下限低、爆炸极限范围宽，当空气中乙炔体积分数处于爆炸极限内，遇明火极易引发爆炸，因此分析乙炔泄漏后的爆炸危险范围对人员疏散和消防救援工作至关重要。

依据前述研究结果，选取泄漏量达到最大时不同边界条件下的扩散情况进行危险范围分析。在Workbench平台的后处理软件CFD-Post中，将乙炔爆炸极限的上下区间数值设置为乙炔体积分数渲染的最大、最小值，即可得出不同边界条件下乙炔气体爆炸危险范围，如图 8和图 9所示。

图  8  不同风速下实验室乙炔气体爆炸危险范围（t = 134 s）

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图  9  窗户开合状态下t = 134 s时实验室乙炔气体爆炸危险范围

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（1）在窗户全部开启条件下，当风速为0.5 m/s、1 m/s时乙炔气体爆炸危险范围包括气瓶室和612室（见图 8a、图 8b和图 9a），当风速为2 m/s、4 m/s时危险范围仅局限于气瓶室内（见图 8c和图 8d）。

（2）在窗户关闭、风速为1 m/s条件下，因通风通道受阻导致危险区域扩大至走廊（见图 9b），而随着时间推移，危险范围还将进一步扩大。

（3）风速、窗户开合状态的协同效应影响了乙炔气体爆炸危险范围。采取门窗全部开启、风速为2 m/s以上的通风措施时即可快速有效地扩散、排出泄漏的乙炔气体，将乙炔爆炸危险范围局限于气瓶室，大大降低了危险范围和程度。

2.4   乙炔气体泄漏扩散爆炸危险范围分析

乙炔爆炸浓度下限低、爆炸极限范围宽，当空气中乙炔体积分数处于爆炸极限内，遇明火极易引发爆炸，因此分析乙炔泄漏后的爆炸危险范围对人员疏散和消防救援工作至关重要。

依据前述研究结果，选取泄漏量达到最大时不同边界条件下的扩散情况进行危险范围分析。在Workbench平台的后处理软件CFD-Post中，将乙炔爆炸极限的上下区间数值设置为乙炔体积分数渲染的最大、最小值，即可得出不同边界条件下乙炔气体爆炸危险范围，如图 8和图 9所示。

图  8  不同风速下实验室乙炔气体爆炸危险范围（t = 134 s）

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图  9  窗户开合状态下t = 134 s时实验室乙炔气体爆炸危险范围

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（1）在窗户全部开启条件下，当风速为0.5 m/s、1 m/s时乙炔气体爆炸危险范围包括气瓶室和612室（见图 8a、图 8b和图 9a），当风速为2 m/s、4 m/s时危险范围仅局限于气瓶室内（见图 8c和图 8d）。

（2）在窗户关闭、风速为1 m/s条件下，因通风通道受阻导致危险区域扩大至走廊（见图 9b），而随着时间推移，危险范围还将进一步扩大。

（3）风速、窗户开合状态的协同效应影响了乙炔气体爆炸危险范围。采取门窗全部开启、风速为2 m/s以上的通风措施时即可快速有效地扩散、排出泄漏的乙炔气体，将乙炔爆炸危险范围局限于气瓶室，大大降低了危险范围和程度。

2.5   管理措施优化

基于前述模拟分析结果，结合实验室管理和布局现状分析，一旦乙炔气体发生泄漏，可能导致不良后果，故提出以下优化的管理措施：

（1）从源头防止泄漏情况的发生。乙炔瓶必须做好固定，最好置于专用的气体防爆柜中。应使用有效期内、结构和功能完好的乙炔瓶、乙炔减压阀，并定期检验。应按规范程序安全使用，防止不规范操作引起安全事故。

（2）早发现早处理。应在乙炔瓶上部位置安装气体报警仪，并设置事故通风装置，一旦泄漏可及时报警、处置。

（3）提升通风能力，并保持设施有效运转。根据12次/h的事故通风换气次数计算，通风换气量应达到375.12 m³/h，而气瓶室现有排风量仅为240 m³/h，难以满足事故通风量的要求，有必要提升气瓶室排风扇通风能力，以快速排出泄漏气体。

（4）畅通气体通道，保证通风设施有效运转。应保持气瓶室门窗、612室房门、601室门窗开启状态，既保证了气瓶室通风设施的补风，又有利于气体的扩散和稀释。

（5）优化实验室布局，进一步降低隐患。现气瓶室位于建筑西北角，夏季易受高温影响，应设置控温设施，并避免乙炔瓶受到暴晒；调整乙炔瓶放置位置至气流通道处，以利于快速扩散；调整612室功能，不能作为有加热、点火等操作的实验场地。

2.5   管理措施优化

基于前述模拟分析结果，结合实验室管理和布局现状分析，一旦乙炔气体发生泄漏，可能导致不良后果，故提出以下优化的管理措施：

（1）从源头防止泄漏情况的发生。乙炔瓶必须做好固定，最好置于专用的气体防爆柜中。应使用有效期内、结构和功能完好的乙炔瓶、乙炔减压阀，并定期检验。应按规范程序安全使用，防止不规范操作引起安全事故。

（2）早发现早处理。应在乙炔瓶上部位置安装气体报警仪，并设置事故通风装置，一旦泄漏可及时报警、处置。

（3）提升通风能力，并保持设施有效运转。根据12次/h的事故通风换气次数计算，通风换气量应达到375.12 m³/h，而气瓶室现有排风量仅为240 m³/h，难以满足事故通风量的要求，有必要提升气瓶室排风扇通风能力，以快速排出泄漏气体。

（4）畅通气体通道，保证通风设施有效运转。应保持气瓶室门窗、612室房门、601室门窗开启状态，既保证了气瓶室通风设施的补风，又有利于气体的扩散和稀释。

（5）优化实验室布局，进一步降低隐患。现气瓶室位于建筑西北角，夏季易受高温影响，应设置控温设施，并避免乙炔瓶受到暴晒；调整乙炔瓶放置位置至气流通道处，以利于快速扩散；调整612室功能，不能作为有加热、点火等操作的实验场地。

3.   结论

本次模拟结果表明，低风速、窗户闭合状态将影响泄漏气体的扩散，存在一定的安全隐患，应采取有效的管理措施，降低乙炔泄漏事故发生的可能性和危险程度，保障人身和财产安全。

（1）乙炔泄漏后，监测点处乙炔体积分数随时间变化呈现先急剧上升至最大值，再快速降低的趋势。乙炔气体泄漏扩散过程中，因其密度小于空气密度，会在天花板附近聚集。

（2）风速、窗户开合状态协同影响泄漏的乙炔气体的扩散，风速越大、窗户开启数量越多，越有利于乙炔气体的快速扩散。风速大小基本不影响实验室风流流场的基本形态，当风速由0.5 m/s增大至4 m/s时，监测点处乙炔体积分数的最大值由2.2%降至0.45%，气瓶室内乙炔体积分数由10%降低至2%。窗户全部关闭时，不利于乙炔气体的扩散，该气体将扩散至整个楼层，并以气瓶室内乙炔体积分数最高。

（3）风速越大、窗户开启数量越多，越有利于缩小乙炔爆炸危险范围。当门窗全部开启、风速达2 m/s以上时，可将乙炔爆炸危险范围局限于气瓶室。

（4）实验室应从泄漏源、监控预警机制、扩散途径、应急处置能力等方面采取综合管理措施，有效提高安全效能。

模拟结果可为实验室危险气体泄漏事故的防控和应急处置提供借鉴和参考。本研究因模拟条件有限，还存在一定的局限性，如泄漏口位置、泄漏方式、扩散路径情况等均可能影响模拟结果，在后续工作中还有待深入研究，以提高模拟的准确性和可靠性。

3.   结论

本次模拟结果表明，低风速、窗户闭合状态将影响泄漏气体的扩散，存在一定的安全隐患，应采取有效的管理措施，降低乙炔泄漏事故发生的可能性和危险程度，保障人身和财产安全。

（1）乙炔泄漏后，监测点处乙炔体积分数随时间变化呈现先急剧上升至最大值，再快速降低的趋势。乙炔气体泄漏扩散过程中，因其密度小于空气密度，会在天花板附近聚集。

（2）风速、窗户开合状态协同影响泄漏的乙炔气体的扩散，风速越大、窗户开启数量越多，越有利于乙炔气体的快速扩散。风速大小基本不影响实验室风流流场的基本形态，当风速由0.5 m/s增大至4 m/s时，监测点处乙炔体积分数的最大值由2.2%降至0.45%，气瓶室内乙炔体积分数由10%降低至2%。窗户全部关闭时，不利于乙炔气体的扩散，该气体将扩散至整个楼层，并以气瓶室内乙炔体积分数最高。

（3）风速越大、窗户开启数量越多，越有利于缩小乙炔爆炸危险范围。当门窗全部开启、风速达2 m/s以上时，可将乙炔爆炸危险范围局限于气瓶室。

（4）实验室应从泄漏源、监控预警机制、扩散途径、应急处置能力等方面采取综合管理措施，有效提高安全效能。

模拟结果可为实验室危险气体泄漏事故的防控和应急处置提供借鉴和参考。本研究因模拟条件有限，还存在一定的局限性，如泄漏口位置、泄漏方式、扩散路径情况等均可能影响模拟结果，在后续工作中还有待深入研究，以提高模拟的准确性和可靠性。