居民用戶天然氣泄漏三維數(shù)值模擬分析

1 概述

隨著我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)，天然氣作為一種清潔能源，普及率越來(lái)越高。但隨之也帶來(lái)很多安全問(wèn)題。據(jù)博燃網(wǎng)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)，2020年發(fā)生燃?xì)獍踩鹿?39起，接近100人死亡。其中，居民用戶發(fā)生的燃?xì)馐鹿视?36起，占比高達(dá)63%，大多與燃?xì)庑孤┯嘘P(guān)。

堤壩劈裂灌漿技術(shù)是在總結(jié)了傳統(tǒng)的堤壩灌漿技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，分析了堤壩裂縫的成因以及泥漿劈裂堤壩規(guī)律的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。劈裂灌漿技術(shù)不論在施工工藝還是在理論研究方面取得了不少進(jìn)展。但是，山于該項(xiàng)技術(shù)的特殊性及加固對(duì)象的多樣性，所以還有很多理論方面的問(wèn)題沒(méi)有解決。

為預(yù)測(cè)居民用戶天然氣泄漏危害范圍和指導(dǎo)安全預(yù)防工作，學(xué)者們對(duì)泄漏擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行了很多研究，但集中在泄漏開(kāi)口條件

、泄漏源高度

、門(mén)的開(kāi)度

、建筑布局

、外部環(huán)境因素

、二維泄漏分析

等，針對(duì)開(kāi)窗條件對(duì)居民用戶天然氣泄漏擴(kuò)散危害影響的量化研究較少。

為分析開(kāi)關(guān)窗對(duì)居民用戶天然氣泄漏擴(kuò)散危害的影響作用，本文對(duì)開(kāi)關(guān)窗條件下居民用戶天然氣的泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬研究。

2000年，世紀(jì)之交這個(gè)秋冬季節(jié)，我在參加單位組織的一次支農(nóng)采拾棉花回家途中，所乘坐拉運(yùn)棉包的車(chē)輛由于側(cè)翻沖進(jìn)路邊的排渠，在那次事故中，愛(ài)人永遠(yuǎn)地離開(kāi)了我，而我也造成了胯關(guān)節(jié)骨折，尾骨骨折。期間，我在醫(yī)院平躺了一個(gè)月方才出院，又在家休養(yǎng)了近10個(gè)月才上班，后來(lái)我在單位成為了一名門(mén)衛(wèi)。那年，女兒年僅十歲。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型假設(shè)

采用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算，基于有限體積法求解可壓縮流場(chǎng)的N-S方程。湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)

-

模型，求解計(jì)算方法采用SIMPLE算法。流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒方程見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，物質(zhì)傳輸擴(kuò)散守恒方程中的組分運(yùn)移方程見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

2.2 物理模型

根據(jù)某居民用戶的廚房，建立如圖1的物理模型。廚房長(zhǎng)×寬×高為3.0 m×1.8 m×3.0 m，灶臺(tái)長(zhǎng)×寬×高為2.5 m×0.6 m×0.8 m，窗戶寬(

方向)×高(

方向)為0.8 m×1.2 m，窗臺(tái)高0.9 m，窗臺(tái)兩端點(diǎn)坐標(biāo)分別為(0,0.5,0.9)和(0，1.3，0.9)。認(rèn)為門(mén)是常閉的，因此模型中沒(méi)有畫(huà)出。本文所有坐標(biāo)單位均為m。方形泄漏孔中心坐標(biāo)(1.50，0.35，0.82)，邊長(zhǎng)為1 cm。體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)共10個(gè)，其中

坐標(biāo)為1 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為P1(1.0，0.6，1.0)、P2(2.0，0.6，1.0)、P3(1.0，1.2，1.0)、P4(2.0，1.2，1.0)；

坐標(biāo)為2 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為P5(1.0，1.2，2.0)、P6(2.0，1.2，2.0)、P7(1.0，0.6，2.0)、P8(2.0，0.6，2.0)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)P9(1.90，1.75，1.40)為燈具開(kāi)關(guān)位置，P10(0.5，1.5，0.5)為其他電器可能引爆泄漏混合氣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

當(dāng)窗戶關(guān)閉時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)隨泄漏時(shí)間(記為

)變化曲線見(jiàn)圖4，泄漏速度隨泄漏時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5，三維和二維體積分?jǐn)?shù)云圖見(jiàn)圖6～8。由圖4可知，泄漏72 s后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大體積分?jǐn)?shù)范圍約為0.2%～2.3%，其中P5處的體積分?jǐn)?shù)最大；高位監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的體積分?jǐn)?shù)一般更高，且甲烷泄漏擴(kuò)散的體積分?jǐn)?shù)與泄漏時(shí)間無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系；由于處于最低位置，P10處體積分?jǐn)?shù)很小，難以達(dá)到甲烷爆炸下限；而P5～P8處于高位，最大體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到2.0%，有一定爆炸風(fēng)險(xiǎn)。由圖5可知，泄漏速度隨泄漏時(shí)間基本呈線性減小趨勢(shì)，約在泄漏60 s后逐漸減至0，即不再泄漏；依據(jù)計(jì)算結(jié)果，60 s后的廚房壓力基本穩(wěn)定在2 kPa，與泄漏壓力相等，達(dá)到壓力平衡狀態(tài)。由圖6～8可知，由于泄漏為豎直向上噴射，泄漏孔上方體積分?jǐn)?shù)云圖呈現(xiàn)噴射的放射狀，且泄漏孔附近初始體積分?jǐn)?shù)較高。由于同工況下甲烷密度比空氣小，泄漏時(shí)甲烷會(huì)先在屋頂聚積，而后逐漸向下擴(kuò)散。由圖7、8可知，

=1.5 m以上區(qū)域體積分?jǐn)?shù)較高，集中在1.5%～2.0%范圍，泄漏72 s時(shí)呈分層分布的趨勢(shì)。

2.3 數(shù)學(xué)模型以及方程求解

為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，作如下假設(shè)：模型中的門(mén)窗關(guān)閉狀態(tài)為完全封閉狀態(tài)，不涉及縫隙、孔隙等；廚房?jī)?nèi)部只存在灶臺(tái)，不考慮其他廚房設(shè)施；不考慮泄漏孔形狀的影響。

2.4 泄漏場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

感染發(fā)生率與患者年齡，吸煙史，基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)狀況，是否使用糖皮質(zhì)激素，是否合并糖尿病及有無(wú)侵襲性操作，臨床分期，放療化療，手術(shù)，住院時(shí)間等因素有關(guān)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，發(fā)生院內(nèi)感染與患者性別，腫瘤病理分型無(wú)關(guān)(P>0.05)。見(jiàn)表2。

廚房窗戶考慮了打開(kāi)和關(guān)閉兩種狀態(tài)。甲烷爆炸極限為5%～15%，但為了突出體積分?jǐn)?shù)梯度變化，本文云圖取體積分?jǐn)?shù)范圍0.5%～25.0%進(jìn)行分析。模擬得到初始泄漏速度為8.4 m/s。本文只研究了甲烷體積分?jǐn)?shù)，將其簡(jiǎn)稱為體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》 (2020年版)第10.2.2條，居民用戶灶臺(tái)處的天然氣壓力不超過(guò)2 kPa?；诎踩蠊畲蠡治鲈瓌t，取天然氣泄漏壓力為2 kPa進(jìn)行計(jì)算。

3 模擬結(jié)果與分析

第三，進(jìn)一步重視“五位一體”總布局與“五個(gè)世界”總路徑的關(guān)系研究。與國(guó)際上構(gòu)建“五個(gè)世界”這個(gè)總路徑相對(duì)應(yīng)的，是國(guó)內(nèi)“五位一體”建設(shè)的總布局。應(yīng)當(dāng)看到，推動(dòng)構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體作為中國(guó)特色大國(guó)外交的重要內(nèi)容，其指向不僅是增進(jìn)人類(lèi)福祉，也是指向民族復(fù)興和人民幸福。研究“五個(gè)世界”與“五位一體”的關(guān)系，是更好地統(tǒng)籌國(guó)際與國(guó)內(nèi)兩個(gè)大局的要求以及更好地適應(yīng)全面深化改革和全面對(duì)外開(kāi)放的要求，為構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體尋找切實(shí)可行的途徑。而且，將中國(guó)發(fā)展與世界發(fā)展緊密結(jié)合起來(lái)，也是體現(xiàn)中國(guó)自信、中國(guó)智慧的表現(xiàn)。

重力加速度取9.8 m/s

，環(huán)境溫度為293.15 K，大氣壓力為101.325 kPa。將天然氣視為純甲烷，其溫度為293.15 K。泄漏方向?yàn)榇怪迸_(tái)面向上。將廚房?jī)?nèi)空氣及泄漏的天然氣設(shè)為理想氣體。墻面設(shè)置為壁面邊界。開(kāi)窗時(shí)，窗戶設(shè)置為壓力出口；關(guān)窗時(shí)，窗戶設(shè)置為壁面邊界。

當(dāng)窗戶打開(kāi)時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)隨泄漏時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖9，三維和二維體積分?jǐn)?shù)云圖見(jiàn)圖10～12。由圖9、10可知，窗戶打開(kāi)時(shí)，由于初始泄漏速度達(dá)8.4 m/s，甲烷泄漏后迅速在屋頂聚積，廚房空間體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)較快，隨著甲烷擴(kuò)散至窗戶附近，從窗戶逃逸，體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；泄漏12～13 min后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值；P5～P8位置高，體積分?jǐn)?shù)逐漸穩(wěn)定在14%左右，處于爆炸極限范圍；P1～P4及P9體積分?jǐn)?shù)集中在5%～14%區(qū)間內(nèi)振蕩，也處于爆炸極限范圍；P10體積分?jǐn)?shù)逐漸穩(wěn)定在3%～5%，具有較大爆炸風(fēng)險(xiǎn)。由圖11、12可知，

=1.5 m和

=0.35 m平面上的體積分?jǐn)?shù)分布在泄漏7.5 min和15 min時(shí)變化明顯，在此時(shí)間段內(nèi)甲烷在廚房屋頂迅速聚積；在泄漏22.5 min后高度2 m之上的體積分?jǐn)?shù)變化較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將泄漏孔附近區(qū)域采用了局部加密操作，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)107 584個(gè)。模型網(wǎng)格劃分與泄漏孔加密網(wǎng)格劃分分別見(jiàn)圖2、3。

② 窗戶打開(kāi)時(shí)

規(guī)制合法性是指滿足制度的規(guī)制性約束，規(guī)制性過(guò)程包括規(guī)則設(shè)定、監(jiān)督和獎(jiǎng)懲活動(dòng)。規(guī)則設(shè)定和政府認(rèn)可的社會(huì)組織身份可以使社會(huì)組織具有在社區(qū)治理中采取行動(dòng)、享有權(quán)利和獲得收益等能力。在獲取了組織的規(guī)范合法性和認(rèn)知合法性之后，取得社會(huì)組織身份以增強(qiáng)規(guī)制合法性成為L(zhǎng)L的主要合法化任務(wù)。

① 窗戶關(guān)閉時(shí)

③ 對(duì)比分析

窗戶關(guān)閉時(shí)，甲烷泄漏擴(kuò)散后的體積分?jǐn)?shù)比窗戶打開(kāi)時(shí)低，因?yàn)殡S著密閉空間內(nèi)甲烷增加，空間壓力迅速增加到2 kPa，與泄漏壓力平衡，之后泄漏停止，甲烷泄漏量小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)2.3%；窗戶打開(kāi)時(shí)，甲烷不斷從窗戶擴(kuò)散出去，甲烷的泄漏與擴(kuò)散會(huì)達(dá)到平衡，但泄漏時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于窗戶關(guān)閉時(shí)的泄漏時(shí)間，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)可能處于爆炸極限范圍內(nèi)，爆炸風(fēng)險(xiǎn)大。整體來(lái)看，在本文計(jì)算條件下，窗戶關(guān)閉比窗戶打開(kāi)條件下天然氣泄漏導(dǎo)致的爆炸風(fēng)險(xiǎn)更小。

4 結(jié)論

① 窗戶關(guān)閉時(shí)，由于廚房空間完全封閉，隨著天然氣泄漏，廚房空間壓力會(huì)迅速增大至泄漏壓力，達(dá)到壓力平衡。平衡后的天然氣體積分?jǐn)?shù)最大值約為2.3%，達(dá)不到爆炸極限。

② 窗戶打開(kāi)時(shí)，由于初始泄漏速度達(dá)8.4 m/s，天然氣泄漏后迅速在屋頂聚積，廚房空間天然氣體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)較快，隨著天然氣從窗戶逃逸，天然氣體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。部分高位監(jiān)測(cè)點(diǎn)天然氣體積分?jǐn)?shù)可達(dá)14%左右，處于爆炸極限范圍。

③ 在所研究的計(jì)算條件下，窗戶關(guān)閉即廚房空間完全封閉比窗戶打開(kāi)條件下天然氣泄漏導(dǎo)致的爆炸風(fēng)險(xiǎn)更小。

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