綜合管廊燃?xì)馀搩?nèi)天然氣泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

張承虎， 田貫三、2、3

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101； 2.山東建筑大學(xué) 山東省建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250101； 3.山東建筑大學(xué) 可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250101)

燃?xì)夤艿赖男孤U(kuò)散是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，按照以往的研究方法，對(duì)燃?xì)庑孤U(kuò)散的研究一般都是采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或者風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)的方法[1-2]，但是這兩種方法耗時(shí)很長(zhǎng)，并且需要投入很多的人力、物力和財(cái)力。隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，目前泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模擬分析非常普遍且準(zhǔn)確度高，省時(shí)省力。

1 孔口泄漏量的分析

圓形小孔泄漏可以看做可壓縮氣體穩(wěn)態(tài)泄漏，泄漏過(guò)程可以看做絕熱過(guò)程，燃?xì)獍蠢硐霘怏w考慮。由流體力學(xué)可知，由于孔口泄漏無(wú)擴(kuò)壓段，泄漏速度不可能超過(guò)聲速，最大泄漏速度只能達(dá)到臨界狀態(tài)的聲速。此后無(wú)論管道壓力多大，出口流速都不可能再增加[3]。臨界壓力比見(jiàn)式(1)：

(1)

式中β——臨界壓力比

pa——環(huán)境壓力，Pa，取101 325 Pa

p1——管道內(nèi)燃?xì)饨^對(duì)壓力，Pa

κ——等熵指數(shù)，取1.29

在大氣環(huán)境條件下由式(1)求得泄漏臨界壓力約為0.18 MPa，所以燃?xì)夤艿澜^對(duì)壓力高于0.18 MPa的孔口泄漏均處于超臨界狀態(tài)，泄漏噴射速度都是臨界速度。本文模擬臨界狀態(tài)時(shí)，以純甲烷代替天然氣。假設(shè)泄漏孔口直徑為10 mm。臨界泄漏量計(jì)算式[4]如下：

(2)

式中qm——臨界工況泄漏量，kg/s

μ——流量系數(shù)

d——漏孔口直徑，m

p2——泄漏部位管道中心線處的燃?xì)饨^對(duì)壓力，Pa

Rcon——燃?xì)獾臍怏w常數(shù)，J/(kg·K)

T2——泄漏部位管道中心線處的燃?xì)鉁囟龋琄

經(jīng)過(guò)與文獻(xiàn)[4]第一作者、論文編輯的溝通，確認(rèn)文獻(xiàn)[4]中的個(gè)別公式有排版問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]式(10)的分式中，“κ-1”應(yīng)為“κ+1”，式(13)中“κ+2”應(yīng)為“κ+1”。本文中公式是正確的。

2 模型的建立

① 燃?xì)庑孤┛刂品匠碳皢?wèn)題描述

天然氣的泄漏擴(kuò)散過(guò)程遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分守恒方程[5]。

本文模擬燃?xì)馀撻L(zhǎng)200 m、寬2 m、高3 m，燃?xì)馀搩?nèi)天然氣管道直徑為300 mm，管道絕對(duì)壓力為0.18 MPa。機(jī)械進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口分別設(shè)置在燃?xì)馀摰膬啥?。為?jiǎn)化模型，模型建立時(shí)燃?xì)馀搩?nèi)的支墩忽略不計(jì)。模擬泄漏孔E～A距排風(fēng)口水平距離分別為0.1 m、50 m、100 m、150 m、199.9 m時(shí)，燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散的規(guī)律。由于泄漏孔口直徑與艙內(nèi)天然氣管道直徑之比小于等于0.2，所以采用小孔泄漏模型進(jìn)行計(jì)算[6]。小孔泄漏一般為持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且不易察覺(jué)的穩(wěn)態(tài)泄漏，潛在的危險(xiǎn)比較大。

② 模擬所需參數(shù)計(jì)算

環(huán)境溫度取288 K，燃?xì)馀搩?nèi)環(huán)境視為大氣環(huán)境。燃?xì)馀撨M(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口均為正方形，面積相等。面積可根據(jù)事故通風(fēng)次數(shù)按式(3)[7]計(jì)算，本文按事故通風(fēng)12次/h計(jì)算。得出進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口的尺寸為1.1 m×1.1 m。

(3)

式中A——通風(fēng)口面積，m2

qV——通風(fēng)口的最大通風(fēng)量，m3/h

v——通風(fēng)口風(fēng)速，m/s

S——百葉遮擋系數(shù)，取0.65

根據(jù)GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》第7.2.3條，通風(fēng)口的最大允許風(fēng)速為5 m/s，通風(fēng)口風(fēng)速按5 m/s計(jì)算。

③ 幾何模型的描述

用Gambit2.4建立三維燃?xì)馀撃Ｐ停孤┛诰鶠樨Q直向上噴射泄漏。泄漏簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1(由于燃?xì)馀摲浅＊M長(zhǎng)，為顯示全局方便對(duì)比，豎直方向縮放比例與水平方向縮放比例不同。

圖1 泄漏簡(jiǎn)化模型

④ 網(wǎng)格劃分

利用Gambit2.4劃分網(wǎng)格?？紤]到所建三維燃?xì)馀撃Ｐ捅容^大，以及現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)行能力，所以設(shè)置網(wǎng)格尺寸Interval size為0.1，網(wǎng)格Elements為T(mén)et/Hybrid，Type為T(mén)Grid。生成網(wǎng)格數(shù)量約800×104。

⑤ 各項(xiàng)設(shè)置

利用Fluent6.3進(jìn)行模擬，選擇3D單精度計(jì)算器；求解器設(shè)置中，選擇默認(rèn)設(shè)置；模型設(shè)置，開(kāi)啟能量方程，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型；采用空氣和甲烷的組分傳輸模型；材料設(shè)置，流體選擇空氣和甲烷，其密度按incompressible-ideal-gas考慮；操作條件設(shè)置，選擇重力場(chǎng)，重力加速度的值為-9.81 m/s2；邊界條件設(shè)置，通風(fēng)口進(jìn)口為速度出口邊界條件，通風(fēng)口出口為機(jī)械排風(fēng)口邊界條件，泄漏口泄漏量設(shè)置為0.019 5 kg/s，通風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

① 數(shù)值模擬

本文模擬臨界工況的圓形小孔泄漏擴(kuò)散，泄漏速度為臨界速度。燃?xì)馀搩?nèi)每小時(shí)換氣次數(shù)12次/h，計(jì)算艙內(nèi)空氣流動(dòng)平均速度為0.67 m/s。管廊屬于狹長(zhǎng)空間，文獻(xiàn)[8]經(jīng)過(guò)對(duì)多種湍流模型進(jìn)行對(duì)比和分析，得出標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型分析狹長(zhǎng)空間內(nèi)氣體擴(kuò)散規(guī)律的精度較其他模型更高?？紤]浮力和組分的影響，不考慮化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，不同泄漏孔泄漏燃?xì)馀搩?nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布(軟件截圖)分別見(jiàn)圖2～6。

圖2 泄漏孔A泄漏燃?xì)馀搩?nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布

圖3 泄漏孔B泄漏燃?xì)馀搩?nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布

圖4 泄漏孔C泄漏燃?xì)馀搩?nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布

圖5 泄漏孔D泄漏燃?xì)馀搩?nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布

圖6 泄漏孔E泄漏燃?xì)馀搩?nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布

② 結(jié)果分析

通過(guò)圖2～6可以看出，燃?xì)馀搩?nèi)的天然氣管道發(fā)生泄漏，在事故通風(fēng)條件下甲烷體積分?jǐn)?shù)大部分集中在5%～20%，泄漏孔A泄漏后燃?xì)馀搩?nèi)處于爆炸危險(xiǎn)狀態(tài)，天然氣的爆炸極限范圍為5%～15%，泄漏孔A泄漏后燃?xì)馀搩?nèi)的危險(xiǎn)度最高，甲烷擴(kuò)散范圍最大，擴(kuò)散的甲烷隨著通風(fēng)氣流充滿整個(gè)燃?xì)馀?，使艙?nèi)幾乎都處于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。泄漏孔A、B、C、D、E泄漏后甲烷擴(kuò)散范圍依次減小，危險(xiǎn)度依次降低，泄漏孔E泄漏后危險(xiǎn)度最低，由于泄漏孔E距離排風(fēng)口最近，燃?xì)馀撏L(fēng)時(shí)，甲烷會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)及時(shí)排出燃?xì)馀摗?/p>

4 結(jié)論與建議

① 結(jié)論

a.分析燃?xì)夤艿缊A形孔口泄漏量，建立了一段長(zhǎng)200 m，寬2 m，高3 m的燃?xì)馀撃Ｐ?，機(jī)械進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口分別設(shè)置在燃?xì)馀摰膬啥?，用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬。分析泄漏孔距排風(fēng)口水平距離分別為0.1 m、50 m、100 m、150 m、199.9 m時(shí)，燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散的規(guī)律。

b. 漏孔距離排風(fēng)口越近，燃?xì)庑孤┖蟮臄U(kuò)散范圍越小，其危險(xiǎn)度也越低；距離排風(fēng)口越遠(yuǎn)，燃?xì)庑孤┖蟮臄U(kuò)散范圍越大，危險(xiǎn)度也越高。

② 建議

a.通過(guò)對(duì)燃?xì)庑孤U(kuò)散的數(shù)值模擬，燃?xì)夤艿佬孤┲?，在通風(fēng)作用下，擴(kuò)散區(qū)域大部分處于危險(xiǎn)爆炸范圍內(nèi)，遇明火極易發(fā)生爆炸，通風(fēng)難以降燃?xì)馀摰奈ｋU(xiǎn)度，所以燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)中應(yīng)提高管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、提高管道檢查質(zhì)量、增加管道壁厚、提高管道防腐標(biāo)準(zhǔn)等。

b.根據(jù)燃?xì)庠谂搩?nèi)泄漏后距離排風(fēng)口越近危險(xiǎn)度越小的特點(diǎn)，建議在管廊進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口處的風(fēng)機(jī)能夠雙向通風(fēng)或者在每個(gè)風(fēng)口處分別安裝進(jìn)、排風(fēng)兩個(gè)風(fēng)機(jī)，當(dāng)發(fā)生泄漏事故時(shí)通過(guò)感應(yīng)系統(tǒng)確定泄漏口位置，就近排風(fēng)，將危險(xiǎn)度降到最低。

c.天然氣是易燃易爆的氣體且比空氣輕，為防止天然氣在泄漏之后造成更嚴(yán)重的影響，首先，管廊多艙上下布置時(shí)，燃?xì)馀搼?yīng)布置在管廊上方；其次，燃?xì)馀撆棚L(fēng)口的朝向不應(yīng)開(kāi)在人員密集、車(chē)流量較大的方向，并且不能與其他燃?xì)馀摰耐L(fēng)口毗鄰。