基于FLUENT的城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散模擬研究

羅明偉，段枷亦，汪雙星

(1.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶聚祥燃氣有限公司，重慶 400000)

城鎮(zhèn)燃氣管道是一個城市重要的生命線工程之一，但每年因管理不善、人為疏忽、違章操作、設(shè)備材料失效和第三方破壞等因素導(dǎo)致的城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏事故時有發(fā)生，造成的物料和能量的損失、環(huán)境污染、人員傷亡和財產(chǎn)損失等危害給社會公共安全與和諧穩(wěn)定帶來極大的負面影響。因此，研究城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散，最大限度地遏制燃氣事故造成的損害顯得十分必要。

目前，國內(nèi)外專家和學(xué)者針對氣體泄漏擴散進行了一定的研究，先后提出了如高斯模型、唯象模型、Sutton模型、箱及相似模型、三維流體力學(xué)模型和淺層理論等，其特點主要表現(xiàn)為利用氣體擴散的一般規(guī)律和實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析擬合得出半經(jīng)驗半理論模型，但其計算結(jié)果的準確性很大程度上依賴于實際氣體擴散條件(如泄漏類型、自然風(fēng)向和強度、大氣壓力梯度分布、周圍地形建筑等)與模型相接近的程度。本文利用FLUENT構(gòu)建城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散模擬模型，研究掌握氣體在一定風(fēng)速和有限空間條件下的擴散規(guī)律和甲烷濃度分布規(guī)律，為有效預(yù)測城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散的影響范圍提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 問題描述

本文選擇研究的城鎮(zhèn)燃氣管道管徑為159×4 mm(DN150 mm)，考察長度為5 km(兩截斷閥間距)，環(huán)境溫度為300K。為簡化研究，選取甲烷體積分數(shù)為100%的天然氣為燃氣管道泄漏氣體，泄漏口采用二維孔口模型，左側(cè)水平向右風(fēng)向，并取一個足夠大且包含泄漏區(qū)域和擴散區(qū)域在內(nèi)的空間(高50 m，泄漏半徑25 m)分析氣體擴散情況。模型簡圖如圖1所示。

圖1 模型簡圖

1.2 基礎(chǔ)模型的選擇

城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散的過程需遵循連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流控制方程。

(1)連續(xù)性方程：

(1)

式中，ρ為流體的密度，kg/m3；t為時間，s；u為速度矢量，m/s。

(2)動量方程：

(2)

(3)能量方程：

(3)

式中，E為流體微團的總能，J/kg；h為焓，J/kg，；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)； Jj為組分j的擴散通量；Sh為包含了化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積熱源項。

(4)湍流模型選擇常用的標準k-ε模型：

(4)

(5)

式中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能；Gb是由于浮力引起的湍動能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認值為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；σk、σε分別為湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認值為σk=1.0、σε=1.3；Prt為湍動普朗特數(shù)，默認取Prt=0.85；gi為重力加速度i方向上的分量；β為熱膨脹系數(shù)；Mt為湍動馬赫數(shù)；a為聲速。

1.3 網(wǎng)格模型的建立

基于FLUENT中2D計算器，考慮浮力和組分的影響，啟用組分輸運與化學(xué)反應(yīng)模型，由于燃氣管道及小孔均為對稱實體，因此模擬時可簡化為二維模型以減小計算量。

利用GAMBIT建立二維管道的泄漏模型，管道起點坐標(0，0)，發(fā)生泄漏的區(qū)域50×50 m，忽略地形地勢的影響，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法構(gòu)建模型。由于管道泄漏口附近壓力會有變化，為了提高計算的準確度，在管道泄漏口及其周圍加強網(wǎng)格細化如圖2所示。

圖2 泄漏擴散網(wǎng)格模型

1.4 邊界條件的確定

利用FLUENT確定邊界條件類型，考慮風(fēng)速影響時，定義泄漏口為速度入口，左側(cè)邊定義為速度進口，將計算區(qū)域最上方的3條線及右側(cè)邊定義為壓力出口，如表1所示。

由此，本文在以上數(shù)值模型及求解器設(shè)定下，對兩種不同泄漏孔徑(0.04 m和0.06 m)和三種不同風(fēng)速(0 m/s、4 m/s、6 m/s)條件下的泄漏流場進行模擬分析。

表1 邊界條件表

2 計算結(jié)果分析

2.1 模擬風(fēng)速與泄漏孔徑對泄漏流場速度影響分析

通過FLUENT模擬計算得到不同風(fēng)速條件下泄漏孔徑0.04 m時泄漏流場速度分布云圖如圖3所示，泄漏孔徑0.06m時泄漏流場速度分布云圖如圖4所示。

(a)風(fēng)速0m/s

(b)風(fēng)速4m/s

(c)風(fēng)速6m/s

(a)風(fēng)速0m/s

(b)風(fēng)速4m/s

(c)風(fēng)速6m/s

六種不同泄漏情況下的流場速度分布云圖中速度最大值見表2。

表2 六種泄漏情況下的流場速度最大值

通過比較以上6種不同泄漏情況下的速度場分布云圖和速度最大值情況可知：

(1)在相同泄漏孔徑下，外部風(fēng)速從0m/s增加到6m/s時，燃氣射流最大速度逐漸變大。相同風(fēng)速條件下，0.06 m泄漏孔徑下的泄漏最大速度高于0.04 m泄漏孔徑下的泄漏最大速度，與此同時，0.06 m泄漏孔徑下的射流在外部影響范圍明顯大于0.04 m的情況。

(2)在不同風(fēng)速下的氣體噴射速度分布明顯不同，射流從泄漏孔徑中心位置噴出，然后進入到外部空間，射流以扇形擴展，其速度分布以扇形中心角處為最大。隨著風(fēng)速的變大，燃氣泄漏噴射射流與X軸正方向的夾角不斷變小，同時射流在X軸正方向偏轉(zhuǎn)程度變大。

2.2 模擬風(fēng)速與泄漏孔徑對泄漏甲烷濃度影響分析

通過FLUENT模擬計算得到不同風(fēng)速條件下泄漏孔徑0.04m時泄漏甲烷濃度分布云圖如圖5所示，泄漏孔徑0.06m時泄漏甲烷濃度分布云圖如圖6所示。

(a)0m/s

(c)6m/s

(a)0m/s

(c)4m/s

(c)6m/s

通過比較以上6種不同泄漏情況下的甲烷濃度分布云圖可知：

(1)燃氣管道發(fā)生泄漏時，甲烷隨來風(fēng)方向發(fā)生擴散，隨著擴散時間的增加，甲烷濃度逐漸增加。

(2)在相同泄漏口徑時，隨著風(fēng)速的增加，甲烷在X方向上擴散范圍增大，Y方向的擴散范圍變化不明顯，但能達到設(shè)定的泄漏高度。

(3)在相同風(fēng)速條件下，隨著泄漏孔徑的增大，甲烷在X方向上擴散范圍增大，Y方向的擴散范圍變化不明顯，但能達到設(shè)定的泄漏高度。

(4)無論哪種泄漏情況下甲烷濃度在泄漏口附近較密集，但在一定高度后，泄漏氣體變得較為稀疏。

3 結(jié)論

本文根據(jù)燃氣管道特性，利用FLUENT對燃氣管道發(fā)生泄漏的氣體擴散問題進行模擬分析，得出甲烷在不同風(fēng)速不同泄漏孔徑下的速度分布云圖和甲烷濃度分布云圖，研究表明：

(1)燃氣管道發(fā)生泄漏時，泄漏孔徑大小直接影響外部受影響范圍的大小，且孔徑增大也會造成最大泄漏速度的增大。

(2)燃氣管道泄漏流場速度分布受到外部環(huán)境的風(fēng)和泄漏孔徑的影響，其流動最大速度位于泄漏孔徑中心位置，且風(fēng)速影響著外部氣體與X軸正方向的偏轉(zhuǎn)幅度，同時風(fēng)速增大射流偏轉(zhuǎn)幅度越大。

(3)燃氣管道泄漏口附近氣體泄漏速度較快，氣體擴散近似自由射流，甲烷濃度分布隨著風(fēng)速的增加和泄漏孔徑的增大，在X方向上擴散范圍增大明顯。

(4)燃氣管道在泄漏口處甲烷濃度分布較密集，氣體攜帶較大的動量，此時外部環(huán)境中的風(fēng)對其濃度影響不大，而泄漏氣體動量會隨著擴散高度增加逐漸減小，外部環(huán)境中風(fēng)的影響則逐漸明顯。

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