陽臺燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散模擬研究

張敬陽高級工程師 高永生 李 鑫 漆 琦

(1.云南中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?，云?昆明 650000；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

近年來隨著城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施的建設(shè)與發(fā)展，天然氣居民用戶數(shù)量不斷增加。天然氣具有易燃性、易爆性等特點(diǎn)，當(dāng)陽臺燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后，容易在建筑內(nèi)部形成可燃?xì)庠疲鸹馂?zāi)、爆炸等事故，從而導(dǎo)致環(huán)境污染、人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。因此研究住宅陽臺燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散規(guī)律是有意義的。

近年來，學(xué)者們對燃?xì)夤艿涝诓煌瑮l件下的泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究。其中王曉華[2]采用CFD方法模擬了兩室一廳居室內(nèi)廚房燃?xì)庑孤┖笕細(xì)鉂舛确植荚茍D；許曉元等[3]通過模擬居室內(nèi)廚房燃?xì)庑孤┑贸隽瞬煌孤┧俣?、泄漏點(diǎn)高度下的室內(nèi)可燃?xì)怏w體積變化規(guī)律；黃小美等[4]利用CFD軟件模擬在廚房門不同開度狀態(tài)下廚房內(nèi)天然氣濃度場及可燃區(qū)域分布；Aihua Liu等[5]通過CFD和實(shí)驗方法模擬得出不同建筑布局下燃?xì)庑孤U(kuò)散濃度分布規(guī)律；李德生等[6]對高架橋下燃?xì)庑孤U(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了有風(fēng)和無風(fēng)2種條件下的天然氣擴(kuò)散規(guī)律。這些研究都沒有涉及陽臺燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散的內(nèi)容，本文利用CFD計算方法，在住宅建筑風(fēng)場模擬的基礎(chǔ)上，對典型陽臺燃?xì)夤艿罃嗔押笕細(xì)鈹U(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，研究室內(nèi)不同開窗條件對可燃?xì)庠品植技捌潴w積分?jǐn)?shù)的影響。

1 陽臺天然氣管道泄漏模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文中天然氣在瞬時釋放后形成的氣云擴(kuò)散運(yùn)動過程，滿足一般流體力學(xué)基本方程組即N-S方程組。此外，本文天然氣云團(tuán)擴(kuò)散過程沒有熱量交換，其控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及組分輸運(yùn)方程。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型在具有管道彎曲壁面的風(fēng)場計算時會產(chǎn)生一定的失真，而Realizable k-ε模型在湍流粘度公式中引入曲率的相關(guān)變量，能有效的應(yīng)用于彎曲壁面流動[7]。因此本文模擬時采用Realizable k-ε模型來描述燃?xì)獾耐牧髁鲃印?/p>

1.2 物理模型

選取實(shí)際典型住宅建筑作為模擬對象，建筑物共計10層，層高為3m，每層包含4戶，為得出其風(fēng)場分布，模擬設(shè)置的計算域尺寸為637.4m(長)×616.8m(寬)×180m(高)。本研究中燃?xì)夤艿佬孤c(diǎn)在第4層左側(cè)住宅的廚房陽臺上的燃?xì)饬⒐苌?，其?nèi)部布局，如圖1。模型天然氣管道內(nèi)徑為25mm，泄漏點(diǎn)附近管道壓力為2 600Pa，考慮最嚴(yán)重的立管斷裂泄漏，采用低壓燃?xì)夤艿蓝ǔＡ鲃踊痉匠逃嬎愕眯孤┝魉贋?6.29m/s，對應(yīng)的質(zhì)量流量為9.26×103kg/s。假設(shè)泄漏過程中管道內(nèi)天然氣壓力保持不變。進(jìn)行瞬態(tài)計算時風(fēng)場風(fēng)速為1m/s，其風(fēng)向沿Y軸負(fù)方向。環(huán)境壓力為101 325Pa，溫度為298.15K。住宅室內(nèi)不同的開閉狀態(tài)組合出3種不同的工況，如圖2。其中工況1，生活陽臺窗、客廳陽臺窗與廚房門均開放；工況2，僅客廳陽臺窗關(guān)閉；工況3，僅廚房門關(guān)閉。

圖1 計算居室布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of room layout for calculation

圖2 計算居室內(nèi)門窗開閉工況示意圖Fig.2 Schematic diagram under the opening and closing conditions of doors and windows in the calculation living room

1.3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

進(jìn)行計算時，其風(fēng)入口采用速度入口邊界，出口采用自由出流邊界，燃?xì)庑孤┛诓捎盟俣热肟谶吔?，建筑物壁面選用壁面邊界條件。

采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其居室內(nèi)部空間網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖3。

圖3 居室網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Grid division of living room

2 陽臺天然氣管道泄漏模擬結(jié)果分析

2.1 風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬分析

進(jìn)行風(fēng)場穩(wěn)態(tài)計算時，設(shè)置風(fēng)場風(fēng)速為1m/s，其風(fēng)向與風(fēng)場風(fēng)速來流方向平行，采用SIMPLEC模型進(jìn)行壓力速度耦合求解，計算得到開窗工況1的室內(nèi)風(fēng)場速度分布，如圖4，工況2的室內(nèi)風(fēng)場速度分布，如圖5，開窗工況3的室內(nèi)風(fēng)場速度分布，如圖6。

圖4 工況1室內(nèi)風(fēng)場速度分布Fig.4 Velocity distribution of indoor wind field under condition 1

圖5 工況2室內(nèi)風(fēng)場速度分布Fig.5 Velocity distribution of indoor wind field under condition 2

圖6 工況3室內(nèi)風(fēng)場速度分布Fig.6 Velocity distribution of indoor wind field under condition 3

從圖4可以看出，工況1條件下在室內(nèi)形成風(fēng)場通路，此時在室內(nèi)形成的部分區(qū)域風(fēng)速與風(fēng)場來流風(fēng)向相反。從圖5、6可以看出，工況2、3條件下室內(nèi)形成風(fēng)速均與風(fēng)場風(fēng)速來流方向相同。

2.2 可燃?xì)庠品植挤治?/h3>

根據(jù)風(fēng)場模擬結(jié)果，工況1室內(nèi)空氣紊動情況更加劇烈，在此選取開窗條件為工況1的模型，泄漏點(diǎn)距離第4層樓板2.30m，即距離地坪11.5m，朝向為垂直于地面向上。即陽臺窗與廚房門均開放的情況下，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為1m/s時的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。分析可燃?xì)庠茍F(tuán)的擴(kuò)散范圍隨時間的分布情況。在模擬過程中天然氣濃度在爆炸下限以上的云團(tuán)分布圖，如圖7。

圖7 工況1天然氣濃度大于爆炸下限的云團(tuán)分布圖Fig.7 Cloud distribution of natural gas concentration greater than the lower explosion limit under condition 1

圖7為燃?xì)庑孤┖蟛煌瑫r刻30、210、420、900s時的甲烷濃度分布圖，圖中云團(tuán)的表面是甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.05的等濃度面，其云團(tuán)內(nèi)部甲烷體積分?jǐn)?shù)均在0.05以上，由于濃度低于0.05的云團(tuán)對爆炸效應(yīng)影響不大，在此不作考慮。

從圖7中可以看出，當(dāng)天然氣管道泄漏后，由于管道內(nèi)部的壓力，天然氣會以一定的初速度向上方噴出，氣流運(yùn)動到陽臺頂部并向四周擴(kuò)散。泄漏發(fā)生30s后，氣體射流到達(dá)陽臺頂部，并沿著陽臺向外擴(kuò)散；泄漏發(fā)生210s后，燃?xì)饨?jīng)過擴(kuò)散后，天然氣通過陽臺窗上方已經(jīng)擴(kuò)散到廚房內(nèi)，此時陽臺頂部的爆炸危險最大；泄漏發(fā)生420s后，由XY頂部俯視圖可以看出，擴(kuò)散至廚房內(nèi)的處于爆炸極限以上的氣云呈現(xiàn)出一個偏角，這是天然氣向X軸負(fù)方向流動的初速度和風(fēng)場風(fēng)速疊加后產(chǎn)生的效果；泄漏發(fā)生900s后，仍有一部分燃?xì)赓N附陽臺頂面向外擴(kuò)散(貼壁效應(yīng))，而擴(kuò)散至廚房內(nèi)部的燃?xì)庖彩茄刂鴱N房頂部不斷向里擴(kuò)散，受北風(fēng)風(fēng)速的影響，原本向X軸負(fù)方向擴(kuò)散的云團(tuán)，擴(kuò)散至廚房內(nèi)部之后其速度方向與Y軸呈一定傾角，因此濃度大于爆炸下限的云團(tuán)呈一個斜角的形狀向建筑內(nèi)部擴(kuò)散，此時陽臺頂部以及廚房外側(cè)均為危險區(qū)域。900s后處于爆炸濃度范圍的氣云依然集中在建筑頂部，但經(jīng)過一定時間后，如果此時廚房靠窗附近存在用氣設(shè)備或者生活陽臺頂部的電燈、陽臺電器等用電設(shè)備，形成點(diǎn)火源之后就很可能會發(fā)生爆炸，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

研究不同的開窗條件對天然氣擴(kuò)散的影響，泄漏發(fā)生900s后工況1(生活陽臺窗、客廳陽臺窗與廚房門均開放)、工況2(僅客廳陽臺窗關(guān)閉)和工況3(僅廚房門關(guān)閉)的可燃?xì)庠品植?，如圖8。

圖8 3種開窗工況下泄漏900s后天然氣濃度大于爆炸下限的云團(tuán)分布圖Fig.8 Cloud distribution of natural gas concentration greater than lower explosion limit after 900s leakage under three kinds of window opening conditions

由圖8可知，在工況1條件下，陽臺頂部的可燃?xì)庠聘采w了陽臺頂面積的1/2，但在陽臺窗的另一側(cè)沒有可燃?xì)庠?，同時廚房內(nèi)形成了呈斜角狀的可燃?xì)庠?；在工況3條件下，900s后其氣云分布以及擴(kuò)散趨勢和工況2相似，但可以看出工況3廚房內(nèi)的可燃?xì)庠品植挤秶裙r2的稍廣，此時生活陽臺靠建筑內(nèi)側(cè)的頂部為危險區(qū)域。

3種開窗工況下形成的可燃云團(tuán)體積(甲烷體積分?jǐn)?shù)在0.05～ 0.15之間)隨時間變化曲線，如圖9。

圖9 3種開窗工況形成可燃云團(tuán)體積隨時間變化曲線Fig.9 Time curve of flammable cloud volume formed under three kinds of window opening conditions

由圖9可知，工況1形成的可燃?xì)庠企w積在模擬時間范圍內(nèi)遠(yuǎn)小于其它2個工況，其數(shù)值是呈不斷上升的趨勢；工況2和工況3在400s之前可燃?xì)庠企w積幾乎相同，400s之后工況3的可燃?xì)庠企w積稍大于工況2，并且2者的數(shù)值都是先迅速上升，再趨于平穩(wěn)，但在局部時間段內(nèi)，可燃?xì)庠企w積存在先降低再上升的趨勢，是由于在距泄漏源較遠(yuǎn)的位置，風(fēng)速使得泄漏燃?xì)庋杆贁U(kuò)散，而泄漏源附近新形成的可燃?xì)庠企w積相比剛擴(kuò)散至爆炸下限以下的氣云體積更小，導(dǎo)致總的可燃?xì)庠企w積在某些時間段內(nèi)降低。

總的來看，在工況1條件下，由于陽臺門窗以及廚房窗戶均為開敞狀態(tài)，風(fēng)場模擬時形成通路，從而相對其它2個工況來說，在陽臺窗附近的風(fēng)速更大，廚房內(nèi)氣流紊動程度更劇烈，加快了泄漏燃?xì)獾臄U(kuò)散速度，所以總體形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)集中范圍更小，體積也更小。而不論開窗條件如何，泄漏后短時間內(nèi)危險區(qū)域主要在生活陽臺頂部以及相鄰廚房內(nèi)外側(cè)頂部區(qū)域，附近用電設(shè)備可能成為引燃可燃云團(tuán)的點(diǎn)火源。

3 結(jié)論

本文研究過程中首先對住宅建筑風(fēng)場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行陽臺天然氣管道泄漏擴(kuò)散模擬，得出以下結(jié)論：

(1)建筑位于陽臺內(nèi)部的天然氣立管發(fā)生斷裂后，短時間內(nèi)其危險區(qū)域主要是陽臺和與之相鄰房間外側(cè)的頂部，此時在陽臺的洗衣機(jī)等用電設(shè)備以及在廚房內(nèi)燃?xì)庥镁弋a(chǎn)生點(diǎn)火源，將造成燃燒或爆炸的安全隱患。

(2)本文不同的開窗工況對氣云擴(kuò)散的影響取決于是否在建筑內(nèi)形成風(fēng)場通路。形成建筑內(nèi)風(fēng)場通路時，在泄漏燃?xì)夤艿栏浇纬傻娘L(fēng)場風(fēng)速更大，由此形成的可燃?xì)庠凭奂秶?；沒有形成建筑風(fēng)場通路時，燃?xì)夤艿栏浇纬傻娘L(fēng)場風(fēng)速較小，可燃?xì)庠凭奂秶蟆?/p>

(3)本文只對泄漏后短時間內(nèi)燃?xì)鈹U(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究，對于長時間未被發(fā)現(xiàn)的建筑燃?xì)夤艿佬孤?，其在建筑?nèi)部形成的危險區(qū)域可能會更大，更易產(chǎn)生爆炸事故。因此需要提升居民用氣安全意識，使得天然氣泄漏更容易被發(fā)現(xiàn)，有效杜絕燃燒或爆炸事故的發(fā)生。