城市建筑環(huán)境下燃氣泄漏擴散的數(shù)值模擬

阿克蘭

（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州 213000）

天然氣管道發(fā)生泄漏會造成一定的危險性，很有可能造成爆炸等危害性極大的事故[1]。通過對泄漏氣體擴散之后危險范圍的研究，可以確定天然氣泄漏擴散形成的危險區(qū)域。天然氣為易燃易爆，有毒有害混合物，一旦泄漏擴散，極易引起爆炸燃燒事故，造成人員傷亡[2]。對于天然氣管道泄漏擴散的數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確預(yù)測泄漏擴散范圍和危險區(qū)域，為決策者及時有效地疏散居民并采取適當(dāng)?shù)木仍胧┨峁┛茖W(xué)指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬建立模型及邊界條件設(shè)置

建立幾何模型時，設(shè)置道路總寬24m，建筑物高30m，天然氣管道敷設(shè)在人行道中央，距離右側(cè)建筑物2m。沿道路敷設(shè)的天然氣管道因第三方破壞而斷裂，導(dǎo)致在地面處發(fā)生天然氣泄漏。簡化上述模型，設(shè)置泄漏口圓心距離坐標(biāo)原點85m，泄漏口附近壓力梯度變化極大，所以在泄漏口劃分的網(wǎng)格采用加密處理，以確保有較好的計算精度。此次模擬的管道壓力為0.4MPa，管道內(nèi)徑為0.2m，故泄漏孔徑設(shè)為0.2m，即管道完全斷裂。據(jù)文獻[3]計算得到泄漏量為5.75kg/s，出口邊界與大氣相連，定義為壓力出口，環(huán)境溫度為15℃。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泄漏時間

在不考慮風(fēng)速的前提下，基于上述模型和邊界條件進行模擬計算，得出天然氣泄漏擴散后甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化見圖1（圖1a～圖1c）中，水平方向數(shù)值表示到原點的距離，豎直方向數(shù)值表示高度，單位為m；色階圖表示甲烷體積分?jǐn)?shù)）。

圖1 甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化

由圖1a 可知，t=0.1s 時建筑物對泄漏擴散沒有影響，射流軸線兩側(cè)壓力保持平衡。t=3s 時由于建筑物的影響，射流中心線右側(cè)沒有足夠的空間，而左側(cè)天然氣氣流不斷卷吸周圍的空氣，帶動周圍空氣進入邊界層向射流中心擴展，增加邊界層厚度，使過流斷面沿射程逐漸增大，由于重力與浮力的不平衡作用，無法形成對稱射流，射流中心線向右側(cè)傾斜。隨著擴散繼續(xù)進行，t=6s 時向右側(cè)傾斜的氣流帶動更多天然氣靠攏并緊貼建筑物向上擴散，而在底部泄漏口與建筑物之間則產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。

2.2 管道壓力

模擬管道直徑和泄漏孔徑均為0.2m，管道壓力p分別為0.4MPa、0.8MPa 和1.6MPa（時 泄 漏 量 分 別 為5.75kg/s、10.65kg/s、20.30kg/s）的泄漏擴散情況。如圖2（圖2和圖3中，靠近右側(cè)的圖為局部放大圖，圖中甲烷體積分?jǐn)?shù)分布為t=10s時的值），隨著管道壓力的增加，泄漏量上升，泄漏速度提高，射流主體段卷吸的空氣量小，泄漏口處的擴散效應(yīng)逐漸明顯，即加速的射流氣體和周圍氣體進行更為劇烈的質(zhì)量、動量交換，使得射流過流斷面不斷變大，最終擴大天然氣的擴散范圍。

圖2 不同管道壓力下泄漏空間甲烷體積分?jǐn)?shù)分布及局部放大圖

2.3 泄漏口與建筑物距離

模擬管道壓力為0.4MPa，管道直徑為0.2m，泄漏孔徑為0.2m 情況下，在泄漏口與建筑物距離L分別為0.5m、1m、2m 時的泄漏擴散情況。不同泄漏口與建筑物距離時甲烷的體積分?jǐn)?shù)分布及局部放大圖見圖3。泄漏量相同的情況下，隨著泄漏口與建筑物距離增加，射流受建筑物影響減小，泄漏口處射流彎曲弧度變小，渦流區(qū)區(qū)域及危害范圍減小，貼附建筑物擴散危險系數(shù)降低。

圖3 泄漏口距建筑物不同距離時泄漏空間甲烷體積分?jǐn)?shù)分布及局部放大圖

3 結(jié)論

1）在射流初始階段，高速氣流帶動空氣向上運動，隨著射流高度的增加，氣體射流速度逐漸減小，甲烷逐漸向四周擴散。

2）建筑物對甲烷體積分?jǐn)?shù)分布和變化產(chǎn)生很大影響，射流軸線向建筑物發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擴散氣體沿建筑物壁面向上運動。

3）在高空擴散的甲烷對居民危害不大，但泄漏的天然氣緊貼泄漏口附近的建筑物壁面向上擴散，若從開啟的門窗擴散到住宅內(nèi)，可能造成爆炸。