氨是一种高效的能量载体，具有高能量密度、富含氢、易于液化和储存（Chehade和Dincer，2021；Tawalbeh等人，2022；Li等人，2023）。通过管道运输氨是一种经济有效的手段，可以长距离输送这种物质（Salmon等人，2021；Abdellatief等人，2024；Dinh等人，2024）。液态氨的毒性和腐蚀性，加上内部高压、外部操作因素以及固有的腐蚀降解作用，可能导致管道破裂和潜在的泄漏事故（Zhu等人，1999；Diao等人，2020）。因此，有必要研究泄漏扩散并明确液态氨泄漏的影响范围。
由于氨的用途多样（Guo等人，2020；Liao等人，2023；Wang等人，2022），已经对其释放进行了相关研究。目前关于液态氨意外释放的研究主要基于实验和数值建模方法。在实验分析领域，法国国家工业环境与风险研究所（INERIS）在1996-1997年进行了一项大规模的大气扩散实验，考虑了氨的特性（如喷射形成和气溶胶生成），但未考虑液化气体排放与屏障之间的相互作用（Bouet等人，2005）。Nielsen等人（1997）进行了连续释放液态氨的扩散实验，获得了浓度波动的经验概率函数和空间相关性，并评估了冷重射流的焓平衡以及气溶胶组成。Jack Rabbit测试是另一项大规模的现场测试项目，在美国犹他州的Dugway试验场释放了1-2吨加压液态氨和氯气（Bauer，2013）。结果显示，在低风速下，这两种气体都表现出显著的密集气体行为，密集气体云的长时间存在可以减轻泄漏的影响。Häni等人（2024）进行了涉及氨（NH₃）和甲烷（CH₄）同时控制的现场规模实验，他们的实验验证了包含表面干沉积模块的增强型后向拉格朗日随机（bLS）模型的有效性。结果表明，忽略干沉积会导致氨排放量的低估。
大规模泄漏扩散实验的成本和风险相当高（Liu等人，2024a），因此使用计算流体动力学（CFD）方法进行气体扩散研究是一种更理想的方法（Wang等人，2025a；Hao等人，2025）。在数值模拟方面，Galeev等人（2013）采用计算流体动力学方法证明了侧向气体扩散随风速的增加而增加。描述液体质量和温度变化的方程由FLUENT软件中的UDF给出。Labovský和Jelemenský（2010）基于FLADIS实验数据（Nielsen等人，1997）建立了CFD动态边界，并建议使用非均匀网格以提高模拟效率和准确性。Zhou等人（2025）采用CFD方法研究了大规模复杂地形中氢氟酸（HF）的泄漏和扩散。通过引入随温度变化的动态气体密度模型，准确描述了浮力效应。该研究系统量化了风速、风向、温度和湿度对浓度场和危险区域范围的影响。Tan等人（2017）通过相似性原理进行了缩小规模的有限空间氨泄漏扩散实验，并在2020年使用全尺寸数值模拟，发现RNG k-ε模拟结果与实验结果最为吻合（Tan等人，2020）。Liu等人（2024b）建立了一个集成模型，结合了瞬态管道流动、地下渗流和地面扩散，以分析埋设的氢气混合天然气管道的泄漏特性和危险范围。Teng等人（2025）进一步扩展了这一模型，使用Omega模型计算了复杂地形中液态氨的泄漏速率，并进行了液态氨从管道中释放的CFD模拟。随着CFD方法的成熟，现有研究广泛研究了不同环境条件下氨泄漏的扩散情况。Fan等人（2024）使用CFD模型比较了在集管处释放的三种液化气体LNG、LH₂和LNH₃，发现液态氨的蒸发速率最慢，但蒸发和扩散的结合使其危险性远高于其他两种气体。2023年，Duong等人（2023）对船舶上LNG/液态氨泄漏的蒸汽云扩散进行了比较分析，发现液态氨的泄漏范围大于氨（蒸发）的泄漏范围。在相同条件下，液态氨的蒸汽云扩散距离通常大于LNG。此外，最大扩散距离与泄漏口大小成正比。氨扩散的范围、形状和浓度可能受到地形因素的影响，包括开阔空间或封闭区域的存在，以及障碍物的存在。这一发现与Silva在2022年的研究结果一致（da Silva Júnior等人，2022）。Jie等人（2014）使用数值模拟研究了风向、风速、泄漏率和地面粗糙度对氨扩散危险区域的影响。同样，Zhan等人（2020）使用数值模拟研究了液态氨罐通过围堰泄漏的影响。他们的发现表明，合理的围堰布置可以有效减少氨向下方向的扩散距离和浓度。
在释放和扩散研究中，准确描述液态氨的相变行为至关重要。CFD方法也被广泛用于流体传输中的相变和节流行为研究（Li等人，2022；Zhang等人，2024a）。Shen等人（2025）采用“伪源项”方法计算液态氢喷射泄漏后产生的气态氢，随后模拟了整个扩散过程及随后的燃烧和爆炸事故。研究表明，在上风条件下，可燃云的等效化学计量体积和由此产生的爆炸超压最为显著，并确定了防护墙的最佳高度（3-4米）和放置距离（约9米）。Zhang等人（2024b）采用基于混合多相流模型和改进的Lee相变模型的数值方法，模拟了密集相CO₂泄漏中的非平衡闪蒸现象，并建立了包含上游压力、温度和泄漏孔径直径的关键质量流量的经验相关性。Horvat（2018）提出了基于均匀多相流的CFD模型，用于模拟液化天然气（LNG）在水面上的泄漏。该模型可以模拟从初始LNG泄漏到在水面上扩散、快速相变（RPT）再到随后蒸汽扩散的完整物理过程。基于CFD模拟结果，计算了泄漏形成的可燃云的体积和空间分布，并预测了RPT事件引起的超压负荷。针对氨，Sivaraman等人（2024）通过将Lee模型嵌入VOF模型来描述液相和气相之间的质量传递，该模型能够模拟闪蒸沸腾和压力恢复等现象。在后续研究中，他们采用LES湍流方法描述了气态氨的大气扩散，并进行了从储罐到大气中的氨释放的大涡模拟（Sivaraman等人，2025）。Zembi等人（2024）结合拉格朗日粒子方法和RANS湍流模型，研究了液态氨喷雾在闪蒸状态和非闪蒸状态之间的转变。他们使用Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor（KH-RT）断裂模型来阐明液滴破碎过程，并使用Frössling相关性（Frössling，1938）描述了蒸发引起的相变行为，显著量化了氨在相变过程中的冷却效应。Huang等人（2023）使用开源软件OpenFOAM进行了液态氨喷雾的大涡模拟，并使用Zuo等人（2000）开发的闪蒸沸腾模型描述了低压环境中的液态氨相变行为。以往的研究调查了氨泄漏的扩散行为，但液态氨管道泄漏过程中的相变过程受到的关注有限。此外，对冷伤害区域的定量研究至关重要，而过去的研究忽略了这一问题。液态氨的快速蒸发会导致温度急剧下降，对人员造成严重的冻伤风险（George等人，2000；Sotiropoulos等人，1998）。因此，忽略冷伤害区域分析可能会低估液态氨管道泄漏的风险。
因此，本研究基于CFD数值方法构建了一个考虑相变过程的液态氨管道泄漏扩散的三维数值模型。根据建立的模型，讨论了风速、泄漏口大小、管道压力和环境温度等因素对液态氨管道泄漏的影响。液态氨管道的数值模型在第2节中开发，建模结果在第3节中展示，关键因素对毒性和冷伤害区域的影响在第4节中讨论。本研究的结论在第5节中详细阐述。
