基于ANSYS模擬研究障礙物對油氣擴(kuò)散的繞流影響分析

劉永松

中國石化江漢油田分公司 清河采油廠 (山東 濰坊 262714）

儲油罐一般架設(shè)在場區(qū)，用于集中油氣，當(dāng)油氣管線或儲油罐發(fā)生小口徑的破裂時(shí)，就會造成油氣擴(kuò)散，擴(kuò)散物以烴類為主。由于烴類氣體的爆炸極限比較寬，油氣的揮發(fā)性可形成可燃性氣體，具有一定的爆炸范圍，當(dāng)擴(kuò)散的油氣經(jīng)過場區(qū)的居民樓等障礙物時(shí)，勢必會給居民生命安全帶來一定的隱患。輸油管線和儲油罐可能會由于腐蝕、高溫曝曬、盜油和外力作用等造成管線的泄漏[1]。常見的泄漏源有小孔泄漏和大面泄漏2種，一種是由腐蝕穿孔、外力破壞、打孔盜油及管線連接處焊縫的破損等引起的小孔泄漏，泄漏持續(xù)時(shí)間比較長；另一種是大面積泄漏，較大孔洞在短時(shí)間內(nèi)泄漏出大量的油氣[2]。

影響油氣擴(kuò)散的因素很多，由于某一地區(qū)常年的氣候、地形等條件基本不變，因此可以作為特定條件來研究油氣擴(kuò)散，為場區(qū)的安全疏散提供一定的參考價(jià)值。筆者根據(jù)工作場區(qū)的實(shí)際情況，重點(diǎn)討論管線在空氣中的小孔泄漏情形。

1 氣體擴(kuò)散理論

氣體擴(kuò)散有分子擴(kuò)散、動量擴(kuò)散和漂移擴(kuò)散3種物理形式。分子擴(kuò)散是分子自身的熱運(yùn)動，在宏觀靜止的氣體中，分子熱運(yùn)動形式的擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。動量擴(kuò)散是指一種氣體A以一定的速度噴射到另一種氣體B之中，通過卷流作用攜帶氣體B，使氣體A的濃度逐漸降低。漂移擴(kuò)散是指一種氣體A以低速流入氣體B之中，由于湍流作用而發(fā)生擴(kuò)散并隨氣體B一起運(yùn)動[3]。

在管線小孔泄漏的氣體擴(kuò)散過程中，以上3種形式都存在。由于場區(qū)常年都有不同程度的季風(fēng)，在這樣的特定條件下，分子擴(kuò)散形式要比后2種擴(kuò)散弱的多，可以忽略。動量擴(kuò)散和漂移擴(kuò)散對氣體擴(kuò)散過程的影響是不一樣的，根據(jù)泄漏氣體流速判斷，流速越高則動量擴(kuò)散影響越大，而流速低漂移擴(kuò)散影響越大。對于同一股氣流，在初始階段動量擴(kuò)散趨勢較強(qiáng)，隨著擴(kuò)散的發(fā)展，便逐漸過渡為漂移擴(kuò)散。

影響油氣擴(kuò)散的因素有管線內(nèi)壓力、油氣密度、溫度、濃度、流量、速率等，外部影響因素有風(fēng)速、風(fēng)流穩(wěn)定性、大氣溫度變化等。由上述因素可知，管線內(nèi)壓力影響油氣泄漏速率，速率影響油氣擴(kuò)散流的流型，流量和排氣濃度主要影響擴(kuò)散規(guī)模，而且管線內(nèi)油氣的密度、溫度與外界大氣存在較大的差異，也會有不同的影響。不穩(wěn)定的風(fēng)流導(dǎo)致產(chǎn)生較多的渦流，可加速氣體的橫向擴(kuò)散。

2 油氣擴(kuò)散模型

油氣擴(kuò)散后的濃度變量Cv是空間坐標(biāo)(x，y，z)、時(shí)間 t、源強(qiáng) s、氣象條件 wa、大氣湍流 wt、地表特征G 等各變量的相關(guān)函數(shù),即 Cv=f(x，y，z，t，s，wa，G…)，油氣組分及其性質(zhì)、擴(kuò)散環(huán)境條件均會影響油氣運(yùn)移規(guī)律及其濃度分布[4-5]。

動量擴(kuò)散和漂移擴(kuò)散都屬于流體力學(xué)理論中湍流場內(nèi)物質(zhì)擴(kuò)散的問題，目前研究湍流場中物質(zhì)擴(kuò)散問題，大多采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[6]。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型：

式中 ρ—混合物的密度；

k—組分的體積濃度；

ε—雷諾系數(shù)；

ui—（x，y，z）三個(gè)方向上的速度；

μt—流體的湍流密度；

g—重力加速度；

t—時(shí)間；

二維空間的油氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型控制方程如下：

式中 c—擴(kuò)散氣體的濃度；

u、v—x，y 方向上的風(fēng)速；

Kx、Ky—湍流擴(kuò)散系數(shù)；

s—源強(qiáng)。

連續(xù)泄漏情況下可采用煙羽模型來計(jì)算危害范圍，在二維平面上，危害范圍近似扇形區(qū)域，扇形的擴(kuò)散角大約是40°。濃度的計(jì)算方法可根據(jù)帕斯奎爾-吉福德模型，按下式計(jì)算質(zhì)量濃度[1,7]：

式中 C（x，y，z）—排放污染物質(zhì)量濃度；

qm—排放物的質(zhì)量流量；

u—風(fēng)速；

x—該點(diǎn)在下風(fēng)向上距泄漏點(diǎn)的距離；

y—該點(diǎn)與通過泄漏點(diǎn)風(fēng)向軸線在水平面上的垂直距離；

z—該點(diǎn)距地面的距離；

σx，σy，σz—表示在 x，y，z方向的擴(kuò)散系數(shù)。

根據(jù)場區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合二維空間的油氣擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，可以計(jì)算出管線氣體泄漏情況下，擴(kuò)散氣體在遇到障礙物后發(fā)生繞流擴(kuò)散的分布情況。

3 油氣擴(kuò)散模擬分析

利用ANSYS的FLOTRAN CFD模塊來進(jìn)行擴(kuò)散分析，建立基本模型。以圓形區(qū)域代表障礙物，邊界設(shè)定：進(jìn)口速度設(shè)定為4m/s，隨著擴(kuò)散進(jìn)行，油氣的擴(kuò)散速度變慢，兩側(cè)邊界速度設(shè)定為2m/s。假定泄漏油氣以球面波的形式，以4m/s速度（考慮到場區(qū)風(fēng)速為2m/s，擴(kuò)散速度與風(fēng)度同方向的迭加）向場區(qū)接近，模擬障礙物對氣體擴(kuò)散的影響。在速度場內(nèi)，速度變化可以表示油氣擴(kuò)散的流跡，如圖1、2所示。

圖1 擴(kuò)散氣體的速度場分布

圖2 擴(kuò)散氣體的合速度分布圖

由圖1擴(kuò)散氣體的速度場可以看出，氣體擴(kuò)散過程中速度逐漸減小，當(dāng)擴(kuò)散氣體接近障礙物時(shí)，速度變化明顯。如圖2所示，在擴(kuò)散氣體與障礙物接觸的前緣面，速度大幅度減小，此處區(qū)域速度約為2m/s，并且出現(xiàn)有速度為0m/s的小部分區(qū)域；隨著擴(kuò)散過程的繼續(xù)，擴(kuò)散氣體經(jīng)過障礙物時(shí)，與障礙物接觸面積的發(fā)生變化，部分?jǐn)U散氣體形成繞流，此時(shí)速度增大趨勢明顯，在障礙物兩側(cè)的速度達(dá)到最大。約4.5m/s的情況，其周圍擴(kuò)散氣體也有速度增大的變化趨勢，并且這種速度變化趨勢是：隨著與障礙物的接觸距離越近，速度增大變化越明顯；當(dāng)擴(kuò)散氣體繞流過障礙物時(shí)，在障礙物后緣面處速度急劇下降，此區(qū)域的速度很小，約有0.5m/s，并在障礙物后方出現(xiàn)了速度為0m/s的小區(qū)域。

同時(shí)由于擴(kuò)散氣體的速度變化不均，在障礙物后緣面的不遠(yuǎn)處，出現(xiàn)了卷流區(qū)域，速度呈漩渦狀變化。并且通過多次模擬發(fā)現(xiàn)，卷流區(qū)域的大小是根據(jù)障礙物后緣處的速度變化梯度而定的，即最大速度和最小速度之間的變化梯度，如圖3所示。對于圖3（a）初始速度為6m/s時(shí)，障礙物兩側(cè)的最大速度約為7.6m/s，最小速度約為0m/s，產(chǎn)生的卷流區(qū)域比圖3（b）初始速度為4m/s時(shí)的要小，但是其后面的影響區(qū)域要大很多。對于圓形建筑物而言，卷流區(qū)域基本呈現(xiàn)對稱分布。

圖3 不同初始速度情況下的速度場分布

由于氣體擴(kuò)散的速度不同，勢必會造成其周圍區(qū)域的壓強(qiáng)不同，在氣體擴(kuò)散過程中，進(jìn)口的壓強(qiáng)要小于出口處的壓強(qiáng)。在障礙物的前緣面處壓強(qiáng)最大，而在障礙物兩側(cè)處壓強(qiáng)最小。經(jīng)分析，由于在障礙物的前緣面處，受到擴(kuò)散氣體的沖擊，同時(shí)氣體沿著障礙物的弧形邊緣繞流，速度變慢，部分氣體積聚，從而使該處區(qū)域壓強(qiáng)高于大氣壓強(qiáng)。在障礙物兩側(cè)處，擴(kuò)散氣體速度比較大，根據(jù)流體力學(xué)可知：速度大的區(qū)域其壓強(qiáng)小，因此在該區(qū)域的壓強(qiáng)小于大氣壓。壓強(qiáng)的變化分布不均會造成上述所說的卷流現(xiàn)象，微觀上看，擴(kuò)散氣體可視為許多單個(gè)的質(zhì)點(diǎn)，速度場和壓強(qiáng)分布可以反映擴(kuò)散氣體的質(zhì)量濃度變化，速度小、壓強(qiáng)高的區(qū)域氣體質(zhì)量濃度高，速度大、壓強(qiáng)小的區(qū)域氣體質(zhì)量濃度比較低?？筛鶕?jù)氣體擴(kuò)散速度和壓強(qiáng)分布情況，為初步判斷油氣擴(kuò)散的濃度范圍提供一定的方法和依據(jù)。

4 結(jié) 論

（1）ANSYS模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在障礙物的前后緣面處，氣體擴(kuò)散的速度較小，在兩側(cè)處氣體擴(kuò)散的速度較大，并且速度變化梯度較大，特別是在后緣處由于氣體繞流，使得存在兩個(gè)卷流區(qū)，卷流區(qū)的大小與多種因素有關(guān)，有待進(jìn)一步分析。

（2）由于障礙物的影響，擴(kuò)散氣體的速度變化不同，導(dǎo)致障礙物周圍的壓強(qiáng)分布不一樣，可根據(jù)氣體擴(kuò)散速度和壓強(qiáng)分布情況，為初步判斷油氣擴(kuò)散的濃度范圍提供一定的方法和依據(jù)。

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