天然氣泄漏擴(kuò)散狀態(tài)模擬及后果分析

王秀清 李書(shū)營(yíng) 李建龍

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 450052)

近年來(lái)，隨著環(huán)保要求的提高及生活條件的改善，氣體燃料，如人工煤氣、液化氣、天然氣等逐漸成為城市居民生活燃料的主體，同時(shí)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。氣體燃料的特點(diǎn)是易泄漏和易燃易爆，當(dāng)這些可燃?xì)怏w在室內(nèi)有限空間內(nèi)發(fā)生泄漏后，就會(huì)增加火災(zāi)和爆炸發(fā)生的危險(xiǎn)性。同時(shí)，由于燃料的比重不同于空氣，以及門窗等有限通風(fēng)條件的存在，導(dǎo)致室內(nèi)燃料濃度分布是一個(gè)非均勻的變化過(guò)程，而氣體燃料的著火與爆炸的發(fā)生是有一定的濃度界線的。因此，系統(tǒng)地研究室內(nèi)燃?xì)庑孤┑臄U(kuò)散過(guò)程與發(fā)展，爆炸發(fā)生的危險(xiǎn)性等，對(duì)防止室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生及控制具有重要的意義。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1．1 幾何模型

圖1 調(diào)壓室?guī)缀文Ｐ?/p>

本文的天然氣泄漏點(diǎn)在坐標(biāo)值為(10，8．5，0．5)處，調(diào)壓室的窗戶上配有軸流風(fēng)機(jī)。

1．2 數(shù)學(xué)模型

空氣與天然氣在調(diào)壓室進(jìn)行混合，相應(yīng)的基本控制方程如下［1］:

1．3 網(wǎng)格與計(jì)算求解

數(shù)值計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用ANSYSICEM CFD11．0劃分網(wǎng)格，數(shù)值計(jì)算采用數(shù)值軟件ANSYS CFX11．0。

燃?xì)庑孤┰唇o定泄漏速度、泄漏壓力和泄漏量，燃?xì)夤鼙诤涂諝膺M(jìn)口均處理為絕熱邊界條件。具體的邊界條件及初始條件如下:泄漏源的溫度

圖2 計(jì)算網(wǎng)格全局圖

T=273k，環(huán)境溫度 T=288k，軸流風(fēng)機(jī)速度:V=0．67m/s，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力 P0=1．013125MPa。其中泄漏量與泄漏速度的計(jì)算如下［2］:

式中:w為泄漏速度，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃?xì)獾拿芏龋琸g/m3，a 取0．64。

當(dāng)在臨界狀態(tài)或超臨界狀態(tài)時(shí)，即［3］

按式(5)計(jì)算泄漏速度，當(dāng)v處于超臨界狀態(tài)時(shí)，計(jì)算出的速度為超音速。由于孔口泄漏，無(wú)擴(kuò)壓段，最大泄漏速度只能達(dá)到臨界狀態(tài)的音速，所以當(dāng)v達(dá)到超臨界狀態(tài)時(shí)，泄漏速度應(yīng)按臨界狀態(tài)的速度計(jì)算［4］:

式中:ρ1=1．32kg/m3

通過(guò)公式(5)－(7)，可以算出當(dāng)泄漏源壓力為中壓 P=0．4MPa，燃?xì)庑孤┧俣?v=142．67m/s，泄漏質(zhì)量流速Q(mào)m=0．00306kg/s;當(dāng)泄漏源壓力為高壓P=1．6MPa，燃?xì)庑孤┧俣?v=285．34m/s，泄漏質(zhì)量流速Q(mào)m=0．00613kg/s。對(duì)于判斷數(shù)值計(jì)算收斂殘差的設(shè)置，取均方根殘差RMS=104。

2 計(jì)算結(jié)果與比較

2．1 當(dāng)屋頂開(kāi)啟量為60%

2．2 當(dāng)屋頂開(kāi)啟量為80%

2．3 當(dāng)屋頂開(kāi)啟量為100%

2．4 總結(jié)

從上述的計(jì)算結(jié)果圖可以得出在不同屋蓋開(kāi)啟量以及不同壓力下天然氣泄漏穩(wěn)定后的最大濃度、最大溫度及最大流速，下面的表格是對(duì)它們的具體比較:

水平方向 垂直方向極大質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)極大速度(m/s)極大質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)極大速度(m/s)100% 1．93 5．72 2．24 6．75 60% 1．92 2．86 2．24 3．37高壓 60% 1．91 5．73 2．24 6．74中壓 80% 1．91 2．86 2．24 3．37高壓 80% 1．91 5．73 2．24 6．74中壓 100% 1．92 2．86 2．24 3．37高壓中壓

3 結(jié)論

本文用CFX軟件對(duì)地下調(diào)壓間天然氣泄漏進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬，得到了在不同壓力下，不同屋蓋開(kāi)啟量的情況下天然氣的濃度場(chǎng)，流場(chǎng)分布，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1．天然氣泄漏后，剛開(kāi)始屬于長(zhǎng)瘦形，然后長(zhǎng)度縮短，但高度卻增加，變得飽滿起來(lái)，而且變得上下不對(duì)稱，這也是由于天然氣比空氣輕，泄漏后在浮力作用下，向上空擴(kuò)散造成的。

2．在天然氣沿水平方向泄漏和空氣混合后的極大質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1．92%左右，沿垂直方向均為2．24%;而混合后沿水平方向的極大速度在中壓時(shí)均為2．86m/s，高壓時(shí)為5．73m/s;沿垂直方向的極大速度在中壓時(shí)為 3．37m/s，高壓為 6．74m/s。

3．泄漏以后調(diào)壓間的溫度非常均勻，最大溫度均為288K，和環(huán)境溫度一樣基本沒(méi)有變化。

4．隨著屋蓋開(kāi)啟量的增大，天然氣擴(kuò)散加快。

5．天然氣的爆炸濃度范圍在2．84% ～8．92%(質(zhì)量百分比)，而通過(guò)模擬可得在以上各種情況下天然氣泄漏達(dá)到穩(wěn)定以后的最大濃度都低于爆炸濃度范圍。由于軸流風(fēng)機(jī)的抽氣量為2．144m3/s，而泄漏源的最大泄漏量為0．0081m3/s，則軸流風(fēng)機(jī)的抽氣量為泄漏量的265倍，并且部分氣體從樓梯窗戶和屋頂開(kāi)啟部分?jǐn)U散出去，因此泄漏的天然氣很快就擴(kuò)散出去，基本不會(huì)聚集在室內(nèi)，使之達(dá)不到爆炸的濃度。

6．泄漏后不僅調(diào)壓室內(nèi)不會(huì)達(dá)到爆炸，而且備件間和監(jiān)控室也不會(huì)達(dá)不到爆炸極限。

［1］王英．室內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散狀態(tài)模擬及后果分析［D］．重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007．

［2］田貫三．管道燃?xì)庑孤┻^(guò)程動(dòng)態(tài)模擬的研究［J］．山東建筑工程學(xué)院院報(bào)，1999，14(4):57 －59．

［3］潘旭海，蔣軍成．事故泄漏源模型研究與分析［J］．南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(1):107 －109．

［4］于暢，田貫三．城市燃?xì)庑孤?qiáng)度計(jì)算模型的探討［J］．山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(6):543 －545．