考慮障礙物分布和風速影響的天然氣泄漏擴散研究

孫振國 邵春雷

(1. 江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院；2. 南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

考慮障礙物分布和風速影響的天然氣泄漏擴散研究

孫振國1邵春雷2

(1. 江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院；2. 南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

采用FLUENT軟件對不同風速和障礙物分布下的天然氣泄漏擴散進行了數(shù)值模擬。得到了甲烷在不同障礙物分布、風速影響下的擴散規(guī)律和甲烷的濃度分布規(guī)律，為有效預測天然氣泄漏擴散的影響范圍提供了依據(jù)。結果表明，在泄漏孔附近濃度和速度都很大，風速越大，天然氣往下風方向輸送的作用越明顯；天然氣的泄漏速度對擴散有明顯的影響，速度越大擴散的高度越高；受障礙物高度的影響，擴散主要表現(xiàn)為天然氣沿著障礙物壁面擴散和天然氣發(fā)生偏轉(zhuǎn)；受障礙物到泄漏孔距離的影響，天然氣擴散主要表現(xiàn)為迎風面對天然氣的阻擋作用。

管道泄漏 天然氣 泄漏擴散 障礙物 風速 數(shù)值模擬

天然氣為人類的生產(chǎn)、生活提供了方便，但同時也帶來了重大的安全問題[1]，國內(nèi)外已有許多關于天然氣泄漏造成慘重損失的報道。為了有效防止事故的發(fā)生并積極采取相應的安全措施，廣大科研和技術人員已開展了大量的研究工作[2～4]，天然氣在大氣中的擴散研究就是其中重要的方面[5～8]。

影響天然氣擴散的因素很多，主要包括：障礙物分布、風速和氣體泄漏速度。目前，關于天然氣擴散的研究主要在平坦地形上進行[9,10]，很少考慮障礙物對危險氣體擴散規(guī)律的影響。地面障礙物的存在使得流場結構發(fā)生了很大的變化，從而影響天然氣的擴散。大多數(shù)文獻中均提到危險性氣體的泄漏擴散受泄漏速度、泄漏源位置、泄漏方向及氣象條件等因素的影響[11～13]，但很少涉及以上因素對危險性氣體擴散濃度場和危險性區(qū)域進行具體的研究。

筆者采用計算流體動力學的方法，對不同障礙物分布、風速和泄漏速度情況下天然氣的擴散規(guī)律進行研究，為有效預測氣體泄漏危險范圍、制定相應的應急預案提供依據(jù)。

1 天然氣泄漏擴散的數(shù)值計算方法

1.1 基本控制方程

天然氣的泄漏擴散是一個十分復雜的過程，為了研究管道泄漏后甲烷的濃度分布，做如下假設：天然氣為單一性的理想氣體，泄漏過程中不發(fā)生相變；忽略因高度產(chǎn)生的溫度和壓強的變化對泄漏的影響；泄漏過程中，摩阻減速的作用不大?？刂品匠讨饕ǎ哼B續(xù)性方程、動量方程和能量方程[14]。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

模擬結果的準確性很大程度上受模擬范圍和網(wǎng)格精度的影響。筆者模擬天然氣泄漏的整個過程，即天然氣從泄漏孔開始泄漏直到在空間“均勻分布”的整個過程。由于天然氣連續(xù)不斷地泄漏到空氣中，所謂的“均勻分布”只是一種近似。顯然，模擬的范圍越大，與實際情況越接近。

考慮到需要模擬的范圍相對較大，若采用三維模型所需的計算機資源較大、計算時間較長，故筆者采用二維模型進行模擬，該二維模型包含泄漏區(qū)域和擴散區(qū)域，區(qū)域的范圍為100m×100m，漏孔的直徑為0.1m，漏孔中心處于地面中心位置。

根據(jù)天然氣泄漏擴散計算區(qū)域的特點，幾何模型主要考慮障礙物和泄漏位置，風速的影響在施加邊界條件時進行考慮。抽象成幾何模型的方案見表1，代表性幾何模型如圖1所示。

表1 模擬區(qū)域的方案

圖1 模擬區(qū)域幾何模型

考慮到計算區(qū)域的特點，采用GAMBIT軟件提供的非結構化和結構化相結合的混合網(wǎng)格技術，對模型區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。

1.3 算法及湍流模型的選擇

筆者選用FLUNET軟件提供的k-ε模型進行模擬。該軟件可以通過求解描述每種物質(zhì)組分的守恒方程來模擬混合和輸運，包括有反應或無反應的情況?？紤]到模擬的只是天然氣的擴散過程，故無反應多組分輸運模型適合用于求解本問題。

1.4 邊界條件

模型中的入口主要有泄漏天然氣的漏孔(圖1下端面中心)和風速的入口(圖1左端面)，這里選擇速度入口作為邊界條件，氣體速度均垂直于入口表面。由不同風速和天然氣泄漏速度構成的入口速度方案見表2。無風條件下，選取圖1中左端面、上端面、右端面為壓力出口條件。有風條件下，左端面的邊界條件由壓力出口變成速度入口，上端面和右端面仍為壓力出口條件。選擇wall作為壁面邊界條件。

表2 入口速度方案 m/s

2 模擬結果分析

2.1 自然噴射擴散

分析在沒有障礙物影響情況下的天然氣噴射擴散情況。

2.1.1 自然噴射時速度、濃度分布

當泄漏出口噴射速度為340m/s時，模擬所得平坦地區(qū)泄漏和噴射擴散情況下的速度和濃度分布如圖2所示。

圖2 泄漏速度為340m/s時的速度和濃度分布

由濃度分布圖2a、c和速度分布圖2b、d可見，天然氣以射流的形式很快泄漏到空氣中，在泄漏孔附近，甲烷的濃度和速度均較高，其擴散現(xiàn)象并不明顯。由于天然氣與空氣之間密度存在差異，天然氣很快擴散開來，它的分布范圍也逐漸擴大，天然氣的流速和濃度很快降低下來。在垂直高度10m的地方，天然氣的速度和濃度已經(jīng)降低為出口時的20%左右，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為：在天然氣與空氣發(fā)生對流的過程中，天然氣受到較大的空氣阻力的作用。由濃度分布圖2a可見，天然氣不僅發(fā)生噴射而且存在膨脹擴散，當噴射速度較小的情況下，膨脹效應表現(xiàn)得更為明顯。在泄漏孔口附近的中心區(qū)域基本上是純的天然氣，但在離射流邊界較遠的區(qū)域基本上為純的空氣，兩者之間是天然氣和空氣混合物。

2.1.2 不同風速下擴散

圖3為在不同風速下天然氣泄漏速度為340m/s時的擴散情況。風從左向右吹，由圖可見，泄漏氣體擴散的方向主要受風向的影響，在下風方向分布著大量泄漏的氣體。擴散稀釋作用的強弱主要受風速的影響，風速越大，射流偏離豎直方向角度越大。在泄漏口附近，由于速度很大，風速對該區(qū)域的影響較小，在距離泄漏孔越遠的位置，風速的影響就越大。在整個噴射擴散過程中，由于風的影響，使得空氣和天然氣之間的傳熱和傳質(zhì)變得更加劇烈，在主風方向上主要表現(xiàn)為平流輸送作用(即天然氣向下風方向運動)，風速越大，平流輸送作用越強烈。限于篇幅，僅分析泄漏速度為340m/s時的擴散規(guī)律，其他泄漏速度時在不同風速下的擴散規(guī)律與此類似。

圖3 無障礙物時不同風速下天然氣濃度分布

2.1.3 不同泄漏速度下擴散

圖4為風速6m/s時不同天然氣泄漏速度下的擴散情況。由圖可見，出口速度越大，噴射距離越遠。在風速相同的情況下，出口速度越大，天然氣在風速方向上發(fā)生的偏移量越小。當泄漏速度較小時，天然氣在重力和風速的作用下幾乎貼著地面沿下風方向擴散，當泄漏速度較大時，由于泄漏天然氣的慣性，大部分氣體沖向高空，在高空中隨風飄向下游，地面上的天然氣濃度反而相對較低。由于人類活動大多集中在地面，點火源一般也在地面附近，所以說，低速噴射情況下的擴散不見得比高速噴射情況下安全，有時可能導致燃燒、爆炸的概率更大。限于篇幅，僅分析風速為6m/s時的擴散規(guī)律，其他風速下的擴散規(guī)律與此類似。

圖4 無障礙物時不同泄漏速度下天然氣濃度分布

2.2 有障礙物噴射擴散

2.2.1 不同風速下擴散

圖5為有障礙物情況下泄漏速度為340m/s時不同風速下天然氣濃度分布。由圖可見，天然氣從泄漏孔噴出后，在泄漏孔與障礙物之間天然氣的濃度較高，大部分氣體集中在該區(qū)域，危險程度較高。氣體沿著障礙物的壁面向上運動擴散，障礙物頂部以下區(qū)域，不同風速下的天然氣濃度分布規(guī)律基本相同，表明風速對該區(qū)域內(nèi)的天然氣擴散影響較??；當天然氣擴散至障礙物頂部以上區(qū)域后，擴散受風速的影響較大，隨著風速的增加，天然氣向下游擴散的程度越嚴重。在障礙物的背風面，該區(qū)域幾乎沒有天然氣的存在，該區(qū)域是安全區(qū)域，一些動設備或可能產(chǎn)生火花的裝置可考慮安放在障礙物的背風面?zhèn)?，以減小當天然氣泄漏時發(fā)生火災、爆炸的概率。

圖5 有障礙物時不同風速下天然氣濃度分布

2.2.2 不同泄漏速度下擴散

在試樣的應力腐蝕開裂過程中，對裂紋的產(chǎn)生和擴展起決定作用的不是應力而是拉伸速率。一般來說，當拉伸速率在10-4～10-7 mm／s內(nèi)時，鋼材才能夠發(fā)生應力腐蝕。通過電子金相研究可知，在此拉伸速率范圍內(nèi)，試樣的裂紋尖端處于產(chǎn)生應力腐蝕開裂的臨界平衡狀態(tài)。

圖6為有障礙物情況下風速為8m/s時不同泄漏速度下天然氣濃度分布。

不論泄漏速度有多大，泄漏孔至障礙物迎風面之間的區(qū)域都是天然氣相對集中的區(qū)域，該區(qū)域是危險區(qū)域。高濃度區(qū)域的范圍與泄漏速度的大小直接相關，泄漏速度越大，高濃度區(qū)域的范圍也就越大。泄漏氣體沿障礙物迎風面向上擴散，在越過障礙物頂部后，在風速的作用下向下游擴散。

圖6 有障礙物時不同泄漏速度下天然氣濃度分布

2.3 障礙物對擴散的影響

本節(jié)分析風速為6m/s，天然氣泄漏速度為200m/s情況下障礙物高度和距離對擴散的影響。

2.3.1 障礙物高度的影響

圖7為障礙物到泄漏孔距離均為1m時不同障礙物高度情況下的天然氣擴散。天然氣從泄漏孔漏出后，向上運動，由于障礙物的阻擋作用，在障礙物的迎風面氣體濃度較高，在越過障礙物頂部以后天然氣的擴散方向由于風速的作用發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在障礙物頂部之后區(qū)域天然氣的濃度分布規(guī)律基本相同，所不同的是，由于噴射速度的存在，天然氣接觸到達障礙物后，會沿著障礙物的壁面向上運動直到障礙物頂部，使得頂部的天然氣存在向上運動的速度。障礙物對天然氣擴散起到了一定的抬升作用。所以，障礙物高度對天然氣噴射擴散的影響較為明顯，在相同泄漏速度和風速作用下，天然氣基本上沿著障礙物壁面進行擴散，障礙物越高，天然氣的偏轉(zhuǎn)高度也越高。

圖7 障礙物高度對泄漏擴散的影響

2.3.2 障礙物距離的影響

圖8為障礙物高度均為20m時障礙物到泄漏孔距離不同的情況下天然氣擴散情況。由圖可見，天然氣總是集中在障礙物迎風面的拐角處。障礙物到泄漏孔的距離越小，障礙物的迎風面?zhèn)鹊母邼舛葏^(qū)域范圍越小，但泄漏孔與障礙物之間的天然氣濃度較高。隨著障礙物到泄漏孔之間距離的增大，高濃度區(qū)域的范圍增大，這增大的范圍主要還是集中在障礙物迎風面。在越過障礙物頂部以后，天然氣的擴散規(guī)律基本相同，障礙物與泄漏孔之間的距離對障礙物后部天然氣的濃度幾乎沒有影響。由分析可得，天然氣的泄漏擴散受障礙物到泄漏孔的距離的影響較為明顯，在所研究的范圍內(nèi)，障礙物到泄漏孔的距離越大，迎風面所阻擋沉積的天然氣量也越大，迎風面的危險性較大。

圖8 障礙物距離對泄漏擴散的影響

3 結論

3.1 當天然氣發(fā)生高速泄漏擴散時，在泄漏孔附近存在明顯的射流現(xiàn)象，該位置處的天然氣濃度很高、速度很大，隨著天然氣的不斷膨脹和擴散，濃度和速度逐漸減小。

3.2 風速對天然氣的擴散有明顯的輸送作用，天然氣有往下風方向輸送的趨勢，風速越大，輸送作用越明顯。

3.3 天然氣的泄漏速度對擴散有明顯的影響，泄漏速度較小時，天然氣貼近地面擴散，速度越大擴散的高度越高。

3.4 障礙物對天然氣的擴散有較大的影響。泄漏孔與障礙物之間天然氣的濃度較高，大部分氣體集中于障礙物的迎風面，背風面幾乎沒有天然氣的存在。在相同泄漏速度和風速作用下，天然氣基本上沿著障礙物壁面進行擴散，障礙物越高，天然氣的偏轉(zhuǎn)高度也越高。

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StudyontheNatureGasLeakageandDiffusionInfluencedbyObstaclesDistributionandWindSpeeds

SUN Zhen-guo1, SHAO Chun-lei2
(1.WuxiBranch,JiangsuProvinceSpecialEquipmentSafetySupervisionandInspectionInstitute; 2.CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

The FLUENT software was used to simulate the nature gas leakage and diffusion influenced by obstacle distribution and wind speed is. Both diffusion law and concentration distribution law of the methane influenced by different obstacle distributions and wind speeds were obtained to provide the basis for predicting the influence scope of the nature gas leakage and diffusion. The results show that, both methane concentration and velocity near leaking holes are very high; the greater the wind speed is, the more obvious the effect of the wind conveys natural gas to the down direction. Leakage rate of nature gas has significant influence on the diffusion, the bigger leakage rate brings about the higher diffusion height. The effect of obstacle height on the natural gas diffusion is mainly reflected in the gas diffusion along the obstacle wall and gas deflection height. The effect of the distance from leaking holes to obstacles on the natural gas diffusion is mainly reflected in the blocking effect of windward side.

pipeline leakage，nature gas, leakage and diffusion, obstacle, wind speed, numerical simulation

國家安全監(jiān)管總局安全生產(chǎn)重大事故防治關鍵技術科技項目；江蘇省質(zhì)量技術監(jiān)督局科技項目(KJ133836)。

孫振國(1983-)，高級工程師，從事承壓類特種設備安全檢測方法的研究，szg@wxtjy.com。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)03-0350-07

2016-07-12，

2016-12-09)