城鎮(zhèn)天然氣管道泄漏擴(kuò)散的CFD模擬及后果分析

摘 要：隨著我國天然氣不斷的開發(fā)與普及，城市天然氣管道網(wǎng)絡(luò)變得非常復(fù)雜。因?yàn)槌鞘刑烊粴夤艿谰W(wǎng)絡(luò)普遍鋪設(shè)在建筑物以及人口稠密地區(qū)，所以如果天然氣管道網(wǎng)絡(luò)泄漏引發(fā)事故，將會對城市建筑以及群眾生命安全造成嚴(yán)重?fù)p失。通過理論分析，建立了城市天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型。CFD數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)，掌握天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，可以準(zhǔn)確預(yù)測，評估和控制泄漏事故，從而減少天然氣管道事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)燃?xì)?泄漏;CFD數(shù)值模擬;實(shí)驗(yàn)論證

天然氣管道的爆炸過程的研究在實(shí)際中具有非常重要現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)計算機(jī)的技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、爆炸學(xué)、熱學(xué)、流體分析力學(xué)，建立相關(guān)城市、街道天然氣管道網(wǎng)絡(luò)發(fā)生泄漏的模型以及擴(kuò)散的模型[1]，通過CFD數(shù)值應(yīng)用軟件模擬實(shí)際情況進(jìn)行計算，通過計算結(jié)果分析管網(wǎng)泄露發(fā)生擴(kuò)散的實(shí)際規(guī)律，并分析出管網(wǎng)擴(kuò)散、滲漏出現(xiàn)危險的區(qū)域。使用相應(yīng)的軟件對模擬所得結(jié)果加以驗(yàn)證，從而獲得準(zhǔn)確、快捷的CFD模擬分析計算方法，最終獲得管網(wǎng)泄露預(yù)防、應(yīng)急處理的理論基礎(chǔ)。

1 CFD數(shù)值模擬手段及過程

1.1 CFD應(yīng)用軟件綜述

利用CFD軟件進(jìn)行處理要分以下步驟：①進(jìn)行預(yù)處理工作;②進(jìn)行求和;③進(jìn)行最后的處理，分別由預(yù)處理器FLUENT，求解器GAMBIT和后處理器TECPLOT計算。

1.2 流體力學(xué)計算求解過程

流體力學(xué)的求解過程一般為：

①確定需要計算的相關(guān)目標(biāo)。確定想要經(jīng)過計算得到需要的結(jié)果;②選擇最佳的模型計算。使用簡化物理模擬模型，明確區(qū)域計算以及區(qū)域計算的標(biāo)準(zhǔn)條件;③利用FLUENT選擇需要的物理量模型，如選擇湍流物理量模型，確定其是非穩(wěn)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)，確定模型是否進(jìn)行能量的交換;④明確操作過程。明確是否能夠應(yīng)用現(xiàn)有算法與公式進(jìn)行求解，在求解的過程中是否進(jìn)行參數(shù)的修改或者添加。

經(jīng)過上述計算進(jìn)行分析，將得到一個關(guān)于問題的判斷結(jié)果，如果通過上述分析明確了問題的原因，就能夠進(jìn)行相應(yīng)的模擬流程。

2 管道天然氣泄漏擴(kuò)散的CFD數(shù)值模擬

2.1 GAMBIT建模及網(wǎng)格劃分

以城鎮(zhèn)典型道路，兩側(cè)均為建筑物的道路的天然氣管道網(wǎng)絡(luò)發(fā)生泄漏作為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)物理的模型。城鎮(zhèn)道路設(shè)定寬度是24m，城鎮(zhèn)建筑物設(shè)定高度是20m，燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)在人行道中間位置，距離建筑物的右側(cè)2m。根據(jù)城市燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范燃?xì)夤艿赖捻敳烤嚯x路面0.7m。假設(shè)地面上的氣體泄漏率等于天然氣管道的泄漏率，則可以簡化天然氣管道泄漏的幾何模型，因?yàn)樘烊粴馐菑牡撞啃孤┒丝谥苯有孤┑酱髿庵?。選定天然氣管道的內(nèi)部壓力為0.4MPa（相對壓力），管道的直徑為0.2m，泄漏孔為0.2m。

2.2 利用GAMBIT建立幾何模型

假設(shè)漏氣的裝置是圓形，而且漏氣部位位于其底部（設(shè)定是天然氣的進(jìn)口位置）;設(shè)定建筑物高20m，寬度為10m;通過仿真計算分析得出壓力是0.4MPa，如果管道直徑0.2m的發(fā)生泄漏，其泄露的空間將達(dá)到160m3，能夠滿足模型計算的需求。因?yàn)槿绻細(xì)夤艿乐睆讲煌?、燃?xì)鈮毫Σ煌?，其泄漏的燃?xì)饬繉煌孤兜目臻g也將不同。所以，相同幾何的模型無法達(dá)到計算的需求，必須依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)模型的建立，從而得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果。在其余背景下的建模不在陳述，其建模的方式與思路可以參考下述情況。

3 FLUENT數(shù)值模擬計算

3.1 FLUENT求解器選擇

由于城市燃?xì)鈮毫Υ蠖嗟陀?.6MPa，且燃?xì)鉁囟葹槌?，因此該燃?xì)饪杀灰暈槔硐肴細(xì)?。本次模擬根據(jù)選擇壓力隱式方案進(jìn)行模擬。在模擬過程中，除進(jìn)行必要的求解設(shè)備類型的設(shè)之外，還要選擇Fiuent的模式進(jìn)行計算。如，求解研究對象的空間模型是二維的，在進(jìn)行選擇空間的項(xiàng)目中，應(yīng)選擇二維2D，進(jìn)行選擇時間的項(xiàng)目中，要選擇時間模型的特征。

3.2 2FLUENT的環(huán)境運(yùn)行設(shè)置

在2FLUENT環(huán)境操作設(shè)計過程中，必須對兩個進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置，從而通過計算獲得重力以及壓力參數(shù)。FLUENT中的壓力是指參考工作壓力的壓力相對值。在進(jìn)行模擬的過程中，壓力參考值是環(huán)境大氣的壓力，本壓力數(shù)值被設(shè)為101325Pa標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓。選擇默認(rèn)的壓力參考位置是0。在進(jìn)行模擬燃?xì)庑孤┉h(huán)境為大氣中擴(kuò)散，必須要考慮浮力與重力對其擴(kuò)散影響。設(shè)定條件運(yùn)行的選項(xiàng)中要選擇重力條件，另外還要指定Z向重力分量加速度數(shù)值為-9.812m每秒。環(huán)境空間的密度要采用大氣密度值0.225kg/m3。

3.3 FLUENT初始條件和邊界條件設(shè)置

①入口邊界條件：在此模擬中，要選擇質(zhì)量流作為邊界入口條件。依據(jù)上面計算的0.4MPa壓力，燃?xì)夤芫€直徑在200mm時，泄漏將達(dá)到5.75kg/s，可以將這些參數(shù)輸入在FLUENT中。矢量流動的方向x將設(shè)置成0，方向y將設(shè)置成1，在入口把燃?xì)怏w積設(shè)置成1;②出口條件邊界上的選擇：在實(shí)際燃?xì)庑孤┻^程中，大氣里沒有燃?xì)鈹U(kuò)散、泄漏出口的邊界，可是針對計算數(shù)值時，會有很大并且有限空間泄漏條件進(jìn)行假設(shè)，所以，無形中形成了和大氣關(guān)聯(lián)的邊界出口參數(shù)，出口壓力就是設(shè)定的邊界出口參數(shù)，其參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力101325Pa;③表面邊界條件的確定：選擇wall為壁面邊界條件。

4 CFD模擬結(jié)果及影響因素分析

4.1 非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析

當(dāng)天然氣管道發(fā)生泄漏時，天然氣會從泄漏孔噴到環(huán)境大氣中。因?yàn)榭諝馀c燃?xì)饷芏却嬖诿芏鹊牟町?，燃?xì)鈺焖賷A雜空氣迅速擴(kuò)大泄漏的范圍，如下圖1中分布擴(kuò)散示意圖。

因?yàn)樾孤稓怏w沒有障礙阻擋其擴(kuò)散，因此，軸線射流兩邊的壓力將處于平衡，燃?xì)獾姆植紝⒀厣淞髦行木€兩側(cè)對稱進(jìn)行分布。通過體積等高線分?jǐn)?shù)圖能夠看出，射流的中心其燃?xì)夥謹(jǐn)?shù)的體積是100%，而且顯現(xiàn)逐漸降低的態(tài)勢。在2.1m的高度處，體積分?jǐn)?shù)減小到5%。隨著進(jìn)一步擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍變得越來越大。如果遇到障礙物，天然氣流量將發(fā)生變化，如圖1所示，甲烷濃度分布時t=10s和t=40s。因?yàn)槿細(xì)獯嬖谝欢ǖ膴A雜空氣或者障礙物阻礙作用的影響，射流的中心與空氣周圍沒有達(dá)到可用空間進(jìn)行維持射流兩側(cè)壓力的平衡，從而導(dǎo)致射流右側(cè)壓力隨之變小，并且射流的中心線會發(fā)生向右偏斜。

4.2 模擬穩(wěn)態(tài)結(jié)果的分析

燃?xì)夤芫€網(wǎng)絡(luò)壓力為0.4MPa，管線直徑為0.2m，泄漏的孔徑為0.2m，燃?xì)庑孤r，在大氣中出現(xiàn)射流，泄漏位置的周圍將形成高濃度燃?xì)饣旌蠚怏w，但是其分布的面積很小。因?yàn)槿細(xì)馀c空氣密度存在差異，所以，燃?xì)獾臄U(kuò)散速度快。隨著泄漏擴(kuò)散的不斷進(jìn)行，燃?xì)夥植紨U(kuò)散面積將不斷增大，泄漏的濃度與速度將隨之衰減。

5 結(jié)論

影響天然氣泄漏擴(kuò)散的因素很多，分析非常復(fù)雜。因此，現(xiàn)在將這些影響因素分別分類和分析。分類如下：環(huán)境因素，管道因素，介質(zhì)因素，氣源因素和泄漏因素。這些因素中的每一個都包含許多影響因素。泄漏擴(kuò)散范圍隨泄漏孔和管道壓力的增加而增加;建筑物對天然氣的擴(kuò)散具有舉升作用，建筑物的高度僅影響障礙物上方的區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛小虎，郝永梅，邢志祥，嚴(yán)欣明.城市天然氣管道動態(tài)泄漏擴(kuò)散特性模擬分析[J].油氣儲運(yùn)，2014，33（04）：374-379.

作者簡介：

張建亮（1984- ），男，籍貫：山西省原平市，2009年7月畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，從事天然氣管道集輸、城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涞裙ぷ鳌?/p>