樓宇排列方式對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬*

歐陽(yáng)的華 晏皓昱 王秋保 郭志勇 張君善

1西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院

2中國(guó)石油青海油田公司采氣三廠

3武警工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院

近年來(lái)，我國(guó)天然氣行業(yè)發(fā)展迅速，不僅在大中城市被廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)也已經(jīng)敷設(shè)大量的天然氣管道，這些埋設(shè)的天然氣管道由于人為及其他原因易損壞，從而導(dǎo)致天然氣泄漏。當(dāng)泄漏的天然氣蔓延至近火源區(qū)域，若濃度接近爆炸極限，將進(jìn)一步引發(fā)爆炸，導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究天然氣在樓宇間的泄漏擴(kuò)散規(guī)律對(duì)事故發(fā)生后的安全防護(hù)和應(yīng)急救援具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前針對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散已開(kāi)展了大量研究，如WANG 等[1]研究了天然氣在公共隧道泄漏時(shí)不同泄漏量和壓力情況下所對(duì)應(yīng)的事故應(yīng)急有效換氣率；趙學(xué)儉[2]對(duì)天然氣從土壤擴(kuò)散到大氣后在土壤表層積聚的現(xiàn)象和規(guī)律開(kāi)展了數(shù)值模擬；ZHOU等[3]從天然氣泄漏引起周?chē)鷾囟茸兓慕嵌瘸霭l(fā)，結(jié)合真實(shí)氣體狀態(tài)方程和光纖拉曼散射原理，系統(tǒng)地分析、闡述了滲漏孔周?chē)寥罍囟鹊淖兓厔?shì)；WANG 等[4]對(duì)埋地天然氣管道泄漏過(guò)程中的天然氣在土壤中的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬；彭偉等[5]探究了單個(gè)泄漏孔的大小、位置、形狀對(duì)于埋地燃?xì)夤艿佬孤┑挠绊懀⒔⒋笮∠嗟鹊碾p泄漏孔的燃?xì)夤艿?，確定了雙泄漏孔間距對(duì)于燃?xì)庑孤U(kuò)散的影響；ZHANG 等[6]建立了城市建筑群模型，模擬和分析了街道交叉口處天然氣擴(kuò)散的濃度；PARK 等[7]分析了建筑屋頂冷卻情況下，城市街道間活性污染物流動(dòng)和擴(kuò)散的情況；鄔長(zhǎng)福[8]、王樹(shù)乾[9]、張文艷[10]采用數(shù)值模擬方法分別研究了風(fēng)速和壓力對(duì)管道天然氣泄漏擴(kuò)散的影響；孫振國(guó)等[11]對(duì)3 種不同高度（5 m、10 m、20 m）的單棟障礙物，探究了障礙物高度、障礙物與泄漏孔的間距對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響；徐川等[12]采用Fluent 對(duì)20 m 高的障礙物下的天然氣擴(kuò)散情況展開(kāi)數(shù)值模擬；王琳等[13]探究了3 種不同高度（20 m、40 m、60 m）的單棟障礙物其高度以及泄漏口與障礙物之間的距離對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響；江攀、徐景德、LIU、王秋紅等[14-17]以2 棟多層建筑為障礙物，將泄漏口置于兩棟樓體之間，探究了不同的樓間距和樓高對(duì)樓體中間區(qū)域天然氣擴(kuò)散行為的影響。

由上述分析可知，對(duì)于天然氣在樓宇間的泄漏擴(kuò)散雖已開(kāi)展了相關(guān)研究，但研究的樓層高度較低且研究范圍多局限在單側(cè)樓體或兩樓宇之間。由于我國(guó)人口數(shù)量巨大，土地資源相對(duì)緊張，居民區(qū)多以高層及多樓宇為主，并且樓間距相對(duì)較小，一旦小區(qū)外側(cè)埋設(shè)的天然氣管道破裂，天然氣擴(kuò)散至小區(qū)內(nèi)將對(duì)居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。為此，本文以三棟高層建筑為對(duì)象，對(duì)多個(gè)樓宇間的天然氣泄漏擴(kuò)散特性進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，分析了不同建筑高度差對(duì)其擴(kuò)散特性的影響，以期為高層居所的人員逃離、救援及天然氣管道的敷設(shè)提供理論依據(jù)。

1 理論方法

1.1 流體控制基本方程

天然氣主要成分為甲烷，對(duì)天然氣的研究可簡(jiǎn)化為對(duì)甲烷的研究。針對(duì)天然氣管道的泄漏，采用不發(fā)生反應(yīng)的組分輸運(yùn)模型，建立控制方程。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

組分方程：

式中：ρ為密度，kg/m3；ui、uj分別為i和j方向的速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；τ→、F→分別為微元體表面的黏性應(yīng)力矢量和徹體力矢量，N；T為溫度，K；kc為流體傳熱系數(shù)；cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為黏性耗散項(xiàng)；cs為組分s的體積濃度，mg/m3；Ds為該組分的擴(kuò)散系數(shù)；S為組分的生成率。

1.2 湍流模型

天然氣管道輸氣壓力遠(yuǎn)大于環(huán)境壓力管道，破裂后多形成射流，且大氣運(yùn)動(dòng)和天然氣射流均為湍流過(guò)程，因此選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模來(lái)描述湍流[18]。其中k指湍流脈動(dòng)動(dòng)能，J；ε指湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率，%；標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型方程見(jiàn)式（5）、式（6）。

紊動(dòng)能k方程為：

紊動(dòng)能耗散ε方程為：

式中：ui為i方向的速度分量，m/s；μ為黏度，kg/(m/s)；μt為湍流黏度，kg/(m/s)；ε為湍流脈動(dòng)能耗散率，%；xi、xj分別為為i和j方向傳輸距離，m；ρ為氣體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，J；Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，J；YM為流體可壓縮性引起的動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，J；Sk、Sε為用戶(hù)定義的源項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε=0.09；湍動(dòng)能k與耗散率ε的普朗特?cái)?shù)分別為σk＝1.0，σε＝1.3。

2 CFD 模型建立

2.1 幾何模型建立

選取中壓燃?xì)夤艿?，且管道破裂時(shí)泄漏口裸露在空氣當(dāng)中，管道壓力為0.3 MPa，泄漏孔徑為80 mm。天然氣的主要成分為甲烷，故簡(jiǎn)化為甲烷自泄漏口噴出。

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(附條文說(shuō)明)》的規(guī)定，高層民用建筑為10 層及10 層以上或房屋高度大于28 m 的住宅建筑，以及房屋高度大于24 m 的其他民用建筑。本文擬探究高層民用建筑背景下的天然氣管道泄露，故對(duì)三種工況的建筑高度設(shè)定如下：

工況一：A、B、C 所對(duì)應(yīng)的建筑高度均為36 m；工況二：A、B、C 所對(duì)應(yīng)的建筑高度分別為36 m，32 m，28 m；工況三：A、B、C 所對(duì)應(yīng)的建筑高度分別為28 m，32 m，36 m。三種工況下建筑物長(zhǎng)寬均為15 m×20 m，建筑間隔固定均為5 m，A、B 間區(qū)域定義為區(qū)域一，B、C 間區(qū)域定義為區(qū)域二，設(shè)定在A 樓前10 m 處發(fā)生天然氣泄漏事故。

根據(jù)建筑周?chē)L(fēng)環(huán)境CFD 實(shí)際應(yīng)用指南：計(jì)算域入口距最近建筑物滿(mǎn)足5H，出口距建筑物滿(mǎn)足15H，計(jì)算域上邊界距地面滿(mǎn)足6H，其中H為建筑高度，建筑高度H=36 m。建立的物理幾何模型如圖1 所示。為更為清晰、直觀地觀察天然氣擴(kuò)散質(zhì)量分布，取200 m×150 m 為觀測(cè)區(qū)域。

圖1 物理幾何模型Fig.1 Physical geometric model

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD 對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了模擬更為準(zhǔn)確，需要對(duì)泄漏孔以及樓體附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。隨后對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)負(fù)體積，表明網(wǎng)格質(zhì)量較好。最后轉(zhuǎn)化為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格輸出保存。

2.3 參數(shù)設(shè)置

基于壓力求解器，在y方向設(shè)置重力加速度為-9.81 m/s2；計(jì)算域左側(cè)為空氣入口，定義速度入口，湍流條件選擇湍流強(qiáng)度和水力直徑，速度為3 m/s；計(jì)算域上方和右側(cè)定義為壓力出口；泄漏孔定義為壓力入口，壓力為0.3 MPa，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1，湍流強(qiáng)度和水力直徑分別為3%、0.08 m。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 建筑物等高排列

圖2 為工況一條件下不同時(shí)刻的天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。由圖2 可知，在工況一條件下高速?lài)姵龅奶烊粴庠趖=1 s 時(shí)擴(kuò)散高度超過(guò)A 號(hào)樓，t=3 s時(shí)開(kāi)始向區(qū)域一擴(kuò)散，t=4 s 時(shí)，天然氣在區(qū)域一的擴(kuò)散深度達(dá)到樓體中部，并且開(kāi)始有天然氣向區(qū)域二擴(kuò)散。隨著泄漏時(shí)間的增加，區(qū)域一和區(qū)域二中天然氣濃度和覆蓋范圍不斷變大，但區(qū)域二天然氣覆蓋深度低于區(qū)域一。

圖2 工況一條件下不同時(shí)刻天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.2 Cloud map of mass fraction distribution of natural gas at different times under Working Condition I

同時(shí)，針對(duì)區(qū)域一中部a（x=222.5，y=18）和區(qū)域二中部b（x=247.5，y=18）兩點(diǎn)進(jìn)行分析。圖3 為工況一a、b 兩點(diǎn)的甲烷濃度變化。由圖3 可知：在區(qū)域一中部天然氣濃度3 s 到5 s 迅速上升，后續(xù)濃度下降是因?yàn)闃求w頂部氣體流動(dòng)速度比較快導(dǎo)致壓強(qiáng)大從而帶走一部分天然氣，最后整體趨于穩(wěn)定；區(qū)域二中部前期變化規(guī)律相同，但20 s后天然氣濃度持續(xù)上升是因?yàn)樘烊粴夥e聚速度大于被帶走速度。

圖3 工況一a、b 兩點(diǎn)的甲烷濃度變化曲線Fig.3 Change curves of methane concentration at two points of a and b under Working Condition Ⅰ

泄漏的天然氣受到自然風(fēng)流影響沖擊在A 號(hào)樓向風(fēng)側(cè)并分成兩股風(fēng)流，一股向下形成漩渦，另一股由于“柯恩達(dá)效應(yīng)”[19]順著墻體向上爬升。當(dāng)天然氣上升到空中時(shí)遇到冷空氣冷卻[20]，停止上升。此時(shí)想要下降的空氣被繼續(xù)上升的空氣阻擋，所以開(kāi)始向四周擴(kuò)散。

3.2 建筑物由高到低排列

圖4 為工況二條件下不同時(shí)刻天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖。當(dāng)建筑物由高到低排列時(shí)，天然氣從t=17 s 開(kāi)始逐漸向區(qū)域一擴(kuò)散，t=20 s 時(shí)開(kāi)始向區(qū)域二擴(kuò)散。圖5 為工況二a、b 兩點(diǎn)的甲烷濃度變化，通過(guò)圖5 與圖3 相比可以看出，雖然a 點(diǎn)峰值濃度較高，但提供了約20 s 的疏散時(shí)間，并且b 點(diǎn)濃度相對(duì)更小。

圖4 工況二條件下不同時(shí)刻天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.4 Cloud map of mass fraction distribution of natural gas at different times under Working Condition II

圖5 工況二a、b 兩點(diǎn)的甲烷濃度變化曲線Fig.5 Change curves of methane concentration at two points of a and b under Working Condition Ⅱ

3.3 建筑物由低到高排列

圖6 為工況三條件下不同時(shí)刻天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。由圖6 可知，天然氣在泄漏初期擴(kuò)散高度迅速超過(guò)A 號(hào)樓，并受到B 號(hào)樓的影響分成兩股氣流，一股繼續(xù)隨著風(fēng)流向后方擴(kuò)散，另一股則順著B(niǎo) 號(hào)樓樓體向下蔓延擴(kuò)散。當(dāng)t=3 s 時(shí)，天然氣充滿(mǎn)整個(gè)區(qū)域一且開(kāi)始向區(qū)域二運(yùn)動(dòng)。隨著泄漏的進(jìn)行，區(qū)域一與區(qū)域二充滿(mǎn)天然氣，區(qū)域一天然氣氣體濃度時(shí)刻高于區(qū)域二天然氣氣體濃度。

圖6 工況三條件下不同時(shí)刻天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.6 Cloud map of mass fraction distribution of natural gas at different times under Working Condition Ⅲ

圖7 為工況三a、b 兩點(diǎn)的甲烷濃度變化。對(duì)區(qū)域一和區(qū)域二兩點(diǎn)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：由于受到高度差的影響，風(fēng)流對(duì)于區(qū)域的影響減弱，并由于貼壁效應(yīng)使得天然氣在區(qū)域內(nèi)積聚，所以與圖3、圖5相比，此時(shí)區(qū)域一內(nèi)a 點(diǎn)天然氣濃度較高。區(qū)域一的積聚也導(dǎo)致區(qū)域二b 點(diǎn)天然氣濃度與圖3 相比較小，但后續(xù)b 點(diǎn)天然氣濃度處于一個(gè)持續(xù)上升的狀態(tài)。

圖7 工況三a、b 兩點(diǎn)的甲烷濃度變化曲線Fig.7 Change curves of methane concentration at two points of a and b under Working Condition Ⅲ

3.4 不同高低排列方式對(duì)樓宇間天然氣泄漏擴(kuò)散的影響

表1 為不同工況下a、b 兩點(diǎn)的部分監(jiān)測(cè)參數(shù)。通過(guò)對(duì)比a、b 兩點(diǎn)30 s 內(nèi)天然氣監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)數(shù)值初始時(shí)刻，可以發(fā)現(xiàn)工況二條件下，a，b 兩點(diǎn)初始時(shí)刻最長(zhǎng)為21 s，即建筑由高向低可有效減緩天然氣擴(kuò)散；觀察a、b 兩點(diǎn)的天然氣濃度峰值可知，工況二的a 點(diǎn)濃度峰值相對(duì)較低，b 點(diǎn)最低且僅為工況一、三濃度峰值的3/20、3/10，由此可知，建筑高度由高向低可有效阻礙天然氣擴(kuò)散。

表1 不同工況下a、b 兩點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of monitoring parameters of a and b points under different working conditions

4 結(jié)論

通過(guò)FLUENT 軟件，運(yùn)用瞬態(tài)模擬的方法，對(duì)不同樓宇排列方式下天然氣泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）天然氣從泄漏孔噴出受風(fēng)向影響沖擊在A號(hào)樓向風(fēng)側(cè)流動(dòng)并形成向下回流，之后順著樓體貼壁流動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)散，一旦進(jìn)入樓內(nèi)并接觸明火，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定濃度時(shí)，就會(huì)引起樓層內(nèi)部的火災(zāi)爆炸。

（2）對(duì)比三種工況條件下天然氣泄漏擴(kuò)散情況發(fā)現(xiàn)，工況三即建筑物按高度從泄漏口方向由低到高排列時(shí)，后方較高建筑相當(dāng)于一個(gè)天然屏障阻礙天然氣擴(kuò)散，使得天然氣在樓體間加速積聚，造成較大安全隱患；工況二即建筑物按高度從泄漏口方向由高到低排列時(shí)，天然氣在兩區(qū)域擴(kuò)散濃度和深度較低，并且有一定的緩沖時(shí)間有利于人員的疏散和相關(guān)工作的展開(kāi)。

（3）在居民建筑區(qū)域敷設(shè)天然氣管道時(shí)，盡量將天然氣主管道敷設(shè)在較高建筑一側(cè)，利用較高建筑對(duì)后方建筑起到一定的保護(hù)作用，同時(shí)避免樓群附近有高障礙物，阻礙天然氣向大氣擴(kuò)散。