埋地輸油管道泄漏污染物流動特性模擬研究

伍詠德

(大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠敖南采油作業(yè)區(qū)，黑龍江大慶 163000)

0 引言

埋地輸油管道泄漏污染物在管道周圍環(huán)境中的流動問題屬于多孔介質(zhì)內(nèi)部流動問題，土壤就是一種典型的多孔介質(zhì)，因此研究埋地輸油管道泄漏污染物在多孔介質(zhì)中的流動特性有助于對泄漏污染物進(jìn)行檢測和處理。

實(shí)驗(yàn)是研究該問題的重要方法，但進(jìn)行埋地管道泄漏實(shí)驗(yàn)的成本過高，且在研究過程中許多參數(shù)難以控制，因此大多數(shù)學(xué)者都采用計算流體力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。高華亮[1]等研究了數(shù)值模擬技術(shù)在內(nèi)腐蝕損傷防護(hù)中的應(yīng)用；何樂平[2]等采用Fluent軟件建立了包含管溝的埋地輸油管道泄漏三維仿真模型,模擬特定事故場景下的泄漏擴(kuò)散過程；李云飛[3]等基于Workbench多場耦合分析平臺Fatigue Tool模塊對含半穿孔缺陷油氣管道開展了數(shù)值模擬分析；馬躍[4]等采用Fluent對埋地管道泄漏油品的擴(kuò)散范圍進(jìn)行了模擬計算；李朝陽[5]等用CFD的多孔介質(zhì)模型對埋地管道泄漏油品的擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬；姜璐[6]等以Fluent軟件為工具模擬原油被點(diǎn)燃前的泄漏擴(kuò)散情況,分析原油在土壤及地面上的擴(kuò)散規(guī)律及范圍,并結(jié)合危害模型得到池火災(zāi)造成的熱輻射危害范圍；趙煜[7]等利用Fluent軟件模擬了不同輸送壓力下原油在土壤中的泄漏擴(kuò)散分布范圍和速度場；姚志強(qiáng)[8]等以原油管道泄漏事故為研究對象,建立了埋地輸油管道三維泄漏擴(kuò)散過程的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬,計算出不同時刻油品在土壤中的擴(kuò)散范圍；王俊[9]等對埋地輸油管道的小孔泄漏情況進(jìn)行了數(shù)值模擬；李洋[10]等利用CFD中的多孔介質(zhì)流動數(shù)值模擬方法研究了4個因素與泄漏油品縱向擴(kuò)散深度的關(guān)系；鄧彩華[11]等采用簡單的直接模擬方法，模擬了單相物質(zhì)在多孔介質(zhì)中的流動?；贑FD多孔介質(zhì)模型的模擬方式?jīng)]有考慮到多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙尺度對泄漏污染物流動的影響，也沒有考慮粒子排列結(jié)構(gòu)的影響。在考慮孔隙尺度的研究中，埋地管道多相流泄漏的研究較少。

本文考慮了埋地輸油管道泄漏污染物流動過程中，孔隙尺度對流動的影響，給出了常規(guī)多孔介質(zhì)和孔隙尺度介質(zhì)模擬的對比，通過比較分析各自的速度場可以判斷該影響的程度，并且比較了在同一孔隙率條件下，粒子采用不同排列方式對流動的影響，為埋地管道泄漏事故應(yīng)急處理與土壤環(huán)境修復(fù)等相關(guān)研究提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

埋地輸油管道泄漏污染物流動問題屬于多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動問題，污染物在泄漏過程中應(yīng)滿足質(zhì)量守恒和動量守恒，根據(jù)泄漏過程以及邊界條件的選取狀況，建立質(zhì)量守恒和動量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程表示為

式中：m為多相流體的數(shù)目；vm為流體平均流速,m/s；ρm為多相流體密度,kg/m3。

動量守恒方程表示為

式中：m為多相流體數(shù)；F為體積力,N；μm為多相流體的黏度,Pa·s；vdr,k為第k相相對于多相流體的驅(qū)動速度，vdr,k=vk-vm,m/s。

2 模擬條件

2.1 模型選擇

采用Fluent軟件進(jìn)行二維模擬，首先采用常規(guī)多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬。選取VOF模型，常規(guī)多孔介質(zhì)的孔隙率為0.569，粒子直徑為6 mm，得出其粘性阻力系數(shù)為4 201 520.621，慣性阻力系數(shù)為1 364.763。泄漏區(qū)域的尺寸為300 mm×300 mm，泄漏管道直徑為20 mm，泄漏口大小為7 mm。

孔隙尺度介質(zhì)模型中，粒子直徑采用6 mm，采用直排和錯排形式，模擬區(qū)域的尺寸為300 mm×300 mm，泄漏管道直徑為20 mm，泄漏口大小為7 mm，多孔介質(zhì)的孔隙率為0.569。

2.2 網(wǎng)格劃分

常規(guī)多孔介質(zhì)模型中使用三角網(wǎng)格劃分，共有813 790個網(wǎng)格。

孔隙尺度介質(zhì)模型網(wǎng)格的劃分，使用粒子直徑6 mm并分別采用直排和錯排方式繪制，格子為三角形。直排情況下，網(wǎng)格數(shù)量為446 584個；錯排情況下，網(wǎng)格數(shù)量為442 300個。

2.3 邊界條件設(shè)置

泄漏區(qū)域邊界條件是表壓力為0 Pa的壓力出口，泄漏口為速度入口，其速度為0.11 m/s?？紤]重力的影響，重力加速度取9.81 m/s2，粒子外表面為wall，油和水的配比為1:1。

2.4 物性數(shù)據(jù)

油水兩相模擬所使用的物質(zhì)為癸烷(C10H22)和水，其主要性質(zhì)見表1。

表1 油水兩相模擬物質(zhì)主要性質(zhì)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 常規(guī)多孔介質(zhì)模型與孔隙尺度介質(zhì)模型的模擬比較

分別使用常規(guī)多孔介質(zhì)模型與孔隙尺度介質(zhì)模型進(jìn)行模擬，其速度場如圖1、圖2所示。

(a)常規(guī)多孔介質(zhì)模型

(a)常規(guī)多孔介質(zhì)模型

如圖1(a)、圖2(a)所示，在常規(guī)多孔介質(zhì)模型中，污染物泄漏后基本以重力方向?yàn)橹饕鲃臃较虿⑾蛩闹艹拾l(fā)散狀擴(kuò)散，這是由于泄漏口下方的土壤多孔介質(zhì)同向性所致，土壤多孔介質(zhì)中的孔隙使得污染物受到濃度差、毛細(xì)作用力、表面張力以及重力作用會優(yōu)先向下部擴(kuò)散；而在孔隙尺度介質(zhì)模型中，如圖1(b)、圖2(b)所示，污染物從泄漏口泄出后，其向兩側(cè)擴(kuò)散更加明顯，這主要是由于土壤的孔隙結(jié)構(gòu)所致，粒子阻礙了部分污染物沿重力方向遷移，在一定程度上改變了污染物的遷移方向，同時兩側(cè)也受到一定的濃度差、毛細(xì)作用力與表面張力的影響。

3.2 孔隙尺度介質(zhì)模型不同排列方式的模擬比較

為研究不同孔隙結(jié)構(gòu)對于污染物泄漏擴(kuò)散的影響，進(jìn)行了不同孔隙排列情況的模擬，由圖3(a)、圖4(a)可以看出，在孔隙尺度介質(zhì)模型中，直排的孔隙結(jié)構(gòu)在泄漏口下方存在沿重力方向的孔隙通道，使得污染物在直排的情況下主要沿重力方向遷移，重力方向上的遷移明顯比錯排強(qiáng)；而在粒子錯排排列的情況下，如圖3(b)、圖4(b)所示，污染物在流出泄漏口后受到粒子的阻礙作用，影響了其豎直方向的流動，導(dǎo)致其在遇到阻礙后進(jìn)行了水平方向的遷移，因此錯排排列時污染物在水平方向上的遷移比直排時更強(qiáng)。

(a)直排

4 結(jié)論

本文通過Fluent數(shù)值模擬了埋地管道泄漏污染物在不同介質(zhì)模型中的流動特性，比較了常規(guī)多孔介質(zhì)模型和孔隙尺度介質(zhì)模型的流動情況，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(a)直排

(1)在常規(guī)多孔介質(zhì)中，埋地管道泄漏后污染物在泄漏口向四周的土壤發(fā)散擴(kuò)散，受重力、濃度差、毛細(xì)作用力、表面張力等因素影響，向下的擴(kuò)散速度大于其他方向的擴(kuò)散速度。

(2)在孔隙尺度介質(zhì)模型中，污染物所表現(xiàn)出的流動特性不同于在常規(guī)多孔介質(zhì)中，泄漏污染物的遷移受到孔隙結(jié)構(gòu)的影響，向兩側(cè)擴(kuò)散更加明顯，這也提示進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)時應(yīng)考慮孔隙結(jié)構(gòu)對流動特性的影響，否則其結(jié)果會存在嚴(yán)重偏差。

(3)在孔隙尺度介質(zhì)模型區(qū)域內(nèi)，粒子的排列方式會影響泄漏污染物的流動特性，污染物在錯排結(jié)構(gòu)中相對于在直排時水平方向上有更強(qiáng)的遷移效果，整體表現(xiàn)出比直排時更強(qiáng)的擴(kuò)散能力。