輸氣管道泄漏過程的CFD數(shù)值模擬

陸 冰 張夢(mèng)真 李 瑩 郭 攀 邱漢青

1 河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002） 2 鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院（450000）

1 軟件與理論知識(shí)介紹

1.1 ICEM 前處理軟件

ANSYS ICEM CFD 簡稱 ICEM。 ANSYS ICEM CFD 是一款功能強(qiáng)大的前處理軟件，不僅可以為主流的CFD 軟件（如FLUENT、CFX）提供高質(zhì)量的網(wǎng)格， 而且還可以完成多種CAE 軟件 （如ANSYS、Abaqus、LS-Dyna） 的前處理工作。 ANSYS ICEM CFD 是目前市場(chǎng)上最強(qiáng)大的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成工具。 隨著ANSYS ICEM CFD 在我國的普及和應(yīng)用，其網(wǎng)格生成優(yōu)勢(shì)已被業(yè)界認(rèn)可，越來越多的工程人員選擇使用ANSYS ICEM CFD 生成網(wǎng)格[1]。

1.2 FLUENT 流體仿真軟件

CFD 軟件 （Computational Fluid Dynamics），即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),簡稱CFD。CFD 是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。 它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬，以解決各種實(shí)際問題[2]。

1.3 有限體積法

有限體積法，又被稱為有限容積法。 以守恒型的方程（如：一維對(duì)流方程）為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后，對(duì)流體經(jīng)過的每一個(gè)單元區(qū)域進(jìn)行積分平均化處理。 有限體積法的推導(dǎo)計(jì)算過程包括：網(wǎng)格劃分（網(wǎng)格可以任意劃分）、在各單元對(duì)方程進(jìn)行積分平均得到相應(yīng)的離散形式的代數(shù)方程、代入邊界條件聯(lián)立離散化的代數(shù)方程進(jìn)行求解[3]。

2 建模與計(jì)算有關(guān)介紹

2.1 滲透

目前我國天然氣輸氣管道最大管徑為1 420 mm，在城市中的管道直徑、管道中的輸氣壓力、管道埋深均較小。 城市中由于人口較多，貫穿城市的輸氣管道壓力不宜過大，一般為中低壓輸氣管道。管道可按天然氣壓力大小分類，見表1。

表1 天然氣壓力大小分類（單位：MPa）

1）物理模型的簡化過程

在模擬天然氣泄漏之后在土壤中的滲透時(shí)，假定土壤為各向同性，泄漏簡化為球狀泄漏，即天然氣在土壤中向四面八方以相同的方式滲透，相當(dāng)于在土壤中存在一個(gè)天然氣泄漏源頭（可以理解成點(diǎn)光源），這樣就可以把問題簡化為二維。 從安全的角度考慮，可以取泄漏壓力為2 MPa 的高壓燃?xì)夤艿肋M(jìn)行模擬分析。 在城市中，機(jī)動(dòng)車不能到達(dá)的地方管道埋深要求不低于0.3 m； 埋設(shè)在車行道之下的輸氣管道，埋深要求不低于0.9 m。

2）參數(shù)設(shè)置

取天然氣管道泄漏直徑為100 mm，埋深分別為0.3 m 和0.9 m（即泄漏源處在距地表的相應(yīng)距離處）分別進(jìn)行模擬，計(jì)算域?yàn)槠矫婢匦危ㄒ布凑麄€(gè)模型為一個(gè)平面矩形）。 天然氣主要成分為甲烷，甲烷密度為 0.648 kg/m3，粘度為 11.067 pa·s，慣性損失系數(shù)為0，重力加速度取9.81 m/s2；入口設(shè)置為壓力入口，初速度取為0，入口壓力為2 MPa；出口設(shè)置為壓力出口，壓力大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；選擇湍流模型，多孔介質(zhì)模型，土壤孔隙率取為0.5 m/s。

3）網(wǎng)格及計(jì)算結(jié)果云圖

埋深為0.3 m 時(shí)的情況，如圖1～圖7 所示。

圖1 整體網(wǎng)格

圖2 局部網(wǎng)格

圖3 壓力云圖

圖4 局部速度矢量圖

圖5 局部壓力云圖

圖6 速度云圖

圖7 局部速度云圖

埋深為0.9 m 時(shí)的情況，如圖8～圖14 所示。

圖8 整體網(wǎng)格圖

圖9 局部網(wǎng)格圖

圖10 整體壓力云圖

圖11 局部速度矢量圖

圖12 局部壓力云圖

圖13 速度云圖

圖14 局部速度云圖

由以上計(jì)算輸出的云圖可得出以下結(jié)果：

1）埋深為0.3 m 的管道，當(dāng)天然氣滲透到地表時(shí)，最大速度約為2.2×10-3m/s；天然氣在滲透到地表時(shí)，形成了直徑約為1 m 的圓形氣池。

2）埋深為0.9 m 的管道，當(dāng)天然氣滲透到地表時(shí)，最大速度約為8.64×10-4m/s；天然氣滲透到地表時(shí)，形成了直徑約為1 m 的圓形氣池。

由此，高壓輸氣管道天然氣泄漏之后在孔隙率為0.5 m/s 的土壤中的滲透速度較慢，100 mm 的泄露小孔的滲透范圍較大，達(dá)1 m 左右。

2.2 擴(kuò)散

由以上滲透的結(jié)果可以看出， 天然氣管道的埋深無論是0.3 m 還是0.9 m，當(dāng)天燃?xì)鈹U(kuò)散到地表之后，形成的氣池寬度均約為1 m。 因此，在擴(kuò)散的模型中，擴(kuò)散源可近似假設(shè)為1 m 的圓形平面。 上述兩種情況的結(jié)果中，天然氣擴(kuò)散到地表的最大速度約為2.2×10-3m/s，在擴(kuò)散的天然氣入口一面，可取極端速度5 m/s。

擴(kuò)散模型及參數(shù)設(shè)置： 以天然氣在地表形成的氣池為中心，建立一個(gè)半球?yàn)橛?jì)算域，地表為壁面。選擇模型為湍流k-epsilon 模型，多組分運(yùn)輸模型，組分中只含有甲烷和空氣。 入口處為上一步滲透出的天然氣，入口設(shè)置為速度入口，初始速度為55 m/s，方向取為垂直入口表面，壓力取為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；另外上半球面的一半作為空氣入口（圖15 所示右半球面），設(shè)置為速度入口，初始速度設(shè)置為1 m/s 和5 m/s（兩種情況下的模型圖、網(wǎng)格圖相同），方向?yàn)檠厥噶浚?，0，1）方向，壓力取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；另外一半球面作為自由出口； 重力加速度取9.81m/s2；甲烷氣體的各項(xiàng)參數(shù)與上述滲透時(shí)相同。則擴(kuò)散的模型、網(wǎng)格及計(jì)算結(jié)果云圖如下：

圖15 模型圖

圖16 整體網(wǎng)格圖

圖17 局部網(wǎng)格圖

空氣入口速度為1 m/s 的計(jì)算結(jié)果 （以下均為x=0 平面上的切片圖）：

圖18 速度切片云圖

圖19 局部速度矢量圖

圖20 甲烷的密度分布

圖21 甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

結(jié)果分析：

1）由圖18 和圖19 可以看出天然氣在以1 m/s的運(yùn)動(dòng)的風(fēng)的作用下， 沿著風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行擴(kuò)散， 天然氣的擴(kuò)散范圍約在左側(cè)與地表成60°的空間內(nèi)，擴(kuò)散范圍大。

2）由圖20 和圖21 可以看出，天然氣主要分布在約與左側(cè)地表成45°的空間內(nèi)， 局部最高密度達(dá)1.02 kg/m3，已達(dá)到天然氣的爆炸極限，遇明火時(shí)將會(huì)發(fā)生火災(zāi)或者爆炸造成嚴(yán)重的后果。

空氣入口速度為5 m/s 的計(jì)算結(jié)果 （以下均為x=0 平面上的切片圖）：

圖22 速度切片云圖

圖23 局部速度矢量圖

圖24 甲烷的密度分布

圖25 甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖

結(jié)果分析：

1） 由圖22 和圖23 可以看出天然氣在以5 m/s的運(yùn)動(dòng)的風(fēng)的作用下，沿著風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行擴(kuò)散，天然氣的擴(kuò)散范圍約在左側(cè)與地表成45°的空間內(nèi)，擴(kuò)散范圍較大。

2）由圖24 和圖25 可以看出，天然氣主要分布在約與左側(cè)地表成15°的空間內(nèi)， 局部最高密度達(dá)0.993 kg/m3，已達(dá)到天然氣的爆炸極限，遇明火時(shí)將會(huì)發(fā)生火災(zāi)或者爆炸造成嚴(yán)重的后果。

3 總結(jié)

天然氣屬于危險(xiǎn)性氣體，極易燃燒爆炸，在泄漏之后，很容易就達(dá)到天然氣的爆炸極限。 在前面有關(guān)滲透的計(jì)算中，我們可以看到，天然氣泄漏之后，滲透到地表形成了直徑將近1 m 的圓形氣池，相對(duì)于100 mm 的小孔來說還是挺大的。因此，天然氣的滲透范圍較大。 另外在上述兩個(gè)擴(kuò)散算例中，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，天然氣局部濃度較大，擴(kuò)散范圍較大，更容易造成氣體中毒事故或發(fā)生爆炸火災(zāi)等事故；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，天然氣局部濃度也可以達(dá)到爆炸極限，擴(kuò)散范圍較小，但擴(kuò)散速度較快，可能會(huì)造成附近居民來不及撤離的現(xiàn)象，依然是很危險(xiǎn)的。 因此，風(fēng)速較小時(shí)，隨著時(shí)間的增長，天然氣擴(kuò)散范圍大，局部濃度高，極具危險(xiǎn)性；風(fēng)速較大時(shí)，天然氣擴(kuò)散速度快，范圍較小，局部濃度較低，但也不排除遇明火發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，風(fēng)速較大時(shí)也意味著火勢(shì)發(fā)展速度快、波及范圍廣。 天然氣發(fā)生泄漏事故時(shí)，一定要及時(shí)處理，規(guī)避危險(xiǎn)。 對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散的模擬探索，是為了掌握天然氣滲透擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以解決實(shí)際生活中遇到的類似問題。