穩(wěn)態(tài)情況下天然氣管道泄漏數(shù)值模擬研究

摘 要 為了研究天然氣管道泄漏后甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散情況，采用仿真軟件FLUENT對(duì)建立的相關(guān)物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，探討了不同風(fēng)速對(duì)甲烷擴(kuò)散特性的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：天然氣泄漏處的高流速核心區(qū)域噴射高度不高，風(fēng)速越大，高流速核心區(qū)域噴射高度越低;風(fēng)速越小，甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散范圍越大，但甲烷擴(kuò)散分布較均勻，局部甲烷濃度較低;風(fēng)速越大，甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散范圍越小，但甲烷會(huì)在局部形成聚集，引起局部甲烷濃度升高。

關(guān)鍵詞 天然氣管道 甲烷泄漏 擴(kuò)散 風(fēng)速 穩(wěn)態(tài) FLUENT

中圖分類號(hào) TQ055.8+1" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0083?05

天然氣作為一種重要的清潔能源，廣泛應(yīng)用于化工業(yè)、制造業(yè)及日常民用等各領(lǐng)域。由于天然氣的廣泛應(yīng)用，天然氣氣站數(shù)量也在逐年增加，筆者在對(duì)一些氣站的壓力管道進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分管道存在腐蝕、裂紋等缺陷。這些缺陷管道一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸、人員傷亡等事故，給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)天然氣管道發(fā)生泄漏后甲烷的擴(kuò)散情況進(jìn)行研究具有重要的意義。

近年來(lái)，研究學(xué)者對(duì)天然氣管道泄漏相關(guān)問(wèn)題做了大量研究。例如于明等應(yīng)用三維計(jì)算模型和湍流模式理論模擬了輸氣管道泄漏情況[1];王

鵬等梳理了天然氣管道瞬態(tài)仿真在數(shù)學(xué)模型、求解方法和加速仿真3個(gè)方面的研究歷程，總結(jié)了當(dāng)前的研究成果[2];徐景德等采用FLUENT軟件對(duì)天然氣管道微量泄漏后甲烷擴(kuò)散特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬了非穩(wěn)態(tài)時(shí)甲烷濃度的分布情況[3];郝永梅等采用FLUENT軟件模擬了PE管道在不同場(chǎng)景下的小孔泄漏，得到泄漏處的壓力和流速分布情況，并結(jié)合相應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[4];王俊等采用數(shù)值模擬方法，研究了泄漏壓力、泄漏孔徑及管道埋深等因素對(duì)埋地管道泄漏后介質(zhì)擴(kuò)散的影響[5]。

我國(guó)對(duì)天然氣管道泄漏相關(guān)問(wèn)題的研究，主要集中于模型數(shù)學(xué)公式計(jì)算、泄漏孔徑大小對(duì)擴(kuò)散的影響以及泄漏壓力對(duì)擴(kuò)散的影響等方面，而相關(guān)外部因素對(duì)擴(kuò)散的影響方面的研究卻很少，在此筆者主要研究外部風(fēng)速對(duì)一定區(qū)域內(nèi)甲烷擴(kuò)散的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

對(duì)天然氣管道泄漏后甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散特性進(jìn)行研究，截取了天然氣氣站一個(gè)區(qū)域進(jìn)行二維物理建模，二維物理模型的尺寸為5 m×5 m（圖1），發(fā)生泄漏的天然氣管道緊貼地面，泄漏處位于管道正中位置，假設(shè)天然氣管道泄漏處的當(dāng)量長(zhǎng)度為0.01 m，泄漏處的壓力為1 MPa。筆者對(duì)自然風(fēng)風(fēng)速為0、2、5、8 m/s4種工況下甲烷在5 m×5 m區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散特性進(jìn)行研究。

1.2 數(shù)學(xué)模型

泄漏處的壓力取1 MPa，根據(jù)雷諾數(shù)Re的大小，二維區(qū)域內(nèi)的甲烷流動(dòng)為湍流流動(dòng)。因此，數(shù)學(xué)模型是基于穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程和雷諾平均Navier?Stokes方程，同時(shí)選取標(biāo)準(zhǔn)k?ε雙方程湍流模型。筆者主要對(duì)二維區(qū)域內(nèi)的甲烷擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬計(jì)算，故數(shù)學(xué)模型還包括組分輸運(yùn)模型。數(shù)學(xué)模型相關(guān)的控制方程如下：

其中，u為速度矢量在x方向的分量，v為速度矢量在y方向的分量，p為流體微元體上的壓力，T為溫度，a=k/C（其中k為流體的傳熱系數(shù)，C為比熱容），c為組分的體積濃度，D為組分?jǐn)U散系數(shù)，ρ為密度。

1.3 邊界條件

管道泄漏處選擇壓力入口（pressure?inlet）作為邊界條件，自然風(fēng)入口選擇速度入口（velocity?inlet）作為邊界條件，區(qū)域右側(cè)及頂部選擇壓力出口（pressure?outlet）作為邊界條件，底部選擇墻面（wall）作為邊界條件。具體邊界條件示意圖如圖2所示。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

貼地天然氣管道發(fā)生泄漏后，對(duì)5 m×5 m二維區(qū)域內(nèi)的甲烷擴(kuò)散特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)對(duì)不同風(fēng)速情況下甲烷擴(kuò)散特性的比較，討論風(fēng)速對(duì)一定區(qū)域內(nèi)甲烷擴(kuò)散的影響。選擇風(fēng)速分別為0、2、5、8 m/s，圖3給出了不同風(fēng)速下甲烷在5 m×5 m二維區(qū)域內(nèi)的流速分布圖，圖4給出了不同風(fēng)速下甲烷在5 m×5 m二維區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖，圖5給出了不同風(fēng)速下甲烷在5 m×5 m二維區(qū)域內(nèi)的摩爾濃度分布圖。

分析圖3可知，泄漏處最高流速可達(dá)55 m/s，泄漏處流速核心區(qū)域流速在5～45 m/s之間，風(fēng)速對(duì)泄漏處高流速甲烷噴射高度有較大影響。風(fēng)速為0 m/s時(shí)，高流速核心區(qū)域噴射最高高度為1.1 m，該區(qū)域內(nèi)甲烷流動(dòng)沒(méi)有發(fā)生偏移，且該區(qū)域?yàn)檩S對(duì)稱流動(dòng)形狀;風(fēng)速為2 m/s時(shí)，高流速核心區(qū)域噴射最高高度為0.9 m，該區(qū)域內(nèi)甲烷流動(dòng)發(fā)生少許偏移，且該區(qū)域流動(dòng)形狀發(fā)生小幅傾斜;風(fēng)速為5 m/s時(shí)，高流速核心區(qū)域噴射最高高度為0.7 m，該區(qū)域內(nèi)甲烷流動(dòng)發(fā)生明顯偏移，且該區(qū)域流動(dòng)形狀發(fā)生明顯傾斜;風(fēng)速為8 m/s時(shí)，高流速核心區(qū)域噴射最高高度為0.4 m，該區(qū)域內(nèi)甲烷流動(dòng)發(fā)生顯著偏移，且該區(qū)域流動(dòng)形狀發(fā)生大幅傾斜。

分析圖4可知，風(fēng)速為0 m/s時(shí)，甲烷基本擴(kuò)散至整個(gè)區(qū)域，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.10～0.30之間，該區(qū)域基本上是一個(gè)軸對(duì)稱形狀;風(fēng)速為2 m/s時(shí)，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15～0.45之間，甲烷基本只擴(kuò)散到2.1 m左右高度;風(fēng)速為5 m/s時(shí)，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.20～0.50之間，甲烷基本只擴(kuò)散到0.9 m左右高度;風(fēng)速為8 m/s時(shí)，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25～0.55之間，甲烷基本只擴(kuò)散到0.5 m左右高度。

分析圖5可知，風(fēng)速為0 m/s時(shí)，甲烷基本擴(kuò)散至整個(gè)區(qū)域，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷摩爾濃度在0.006～0.016 kmol/m3之間，該區(qū)域基本上是一個(gè)軸對(duì)稱形狀;風(fēng)速為2 m/s時(shí)，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷摩爾濃度在0.006～0.024 kmol/m3之間，甲烷基本只擴(kuò)散到2.1 m左右高度;風(fēng)速為5 m/s時(shí)，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷摩爾濃度在0.008～0.028 kmol/m3之間，甲烷基本只擴(kuò)散到0.9 m左右高度;風(fēng)速為8 m/s時(shí)，擴(kuò)散核心區(qū)域的甲烷摩爾濃度在0.010～0.030 kmol/m3之間，甲烷基本只擴(kuò)散到0.5 m左右高度。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)建立二維物理模型，模擬研究了在天然氣管道發(fā)生泄漏后穩(wěn)態(tài)情況下甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散特性，探討了不同風(fēng)速對(duì)甲烷擴(kuò)散的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，天然氣管道發(fā)生泄漏后，風(fēng)速對(duì)甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散特性影響較大。從甲烷流速分布圖分析，天然氣泄漏處的高流速核心區(qū)域噴射高度不高，風(fēng)速對(duì)高流速核心區(qū)域噴射高度的影響比較明顯，風(fēng)速越高，高流速核心區(qū)域噴射高度越低。從甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖及甲烷摩爾濃度分布圖分析，風(fēng)速越小，甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散范圍越大，但甲烷在區(qū)域內(nèi)的分布更為均勻，局部甲烷濃度較低;風(fēng)速越大，甲烷在一定區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散范圍越小，但甲烷會(huì)在局部形成聚集，引起局部甲烷濃度升高。模擬結(jié)果可為日后天然氣氣站的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也為天然氣氣站管道泄漏應(yīng)急預(yù)案的編制提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 于明，狄彥，帥健.輸氣管道泄漏率計(jì)算與擴(kuò)散模擬方法述評(píng)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2007（4）：15-18.

[2] 王鵬，童睿康，蔣若蘭，等.天然氣管道瞬態(tài)仿真研究綜述[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（17）：6959-6970.

[3] 徐景德，吳璐瑤.基于FLUENT的天然氣管道微量泄漏數(shù)值模擬[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，15（5）：60-64.

[4] 郝永梅，楊文斌，杜璋昊，等.城市非金屬管道小孔泄漏數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（2）：26-30;105.

[5] 王俊，封輝，高琦，等.埋地管道泄漏數(shù)值模擬分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（33）：13660-13666.

（收稿日期：2022-04-08，修回日期：2023-01-09）

Numerical Simulation of Gas Pipeline Leakage in Steady State

SHAO Bin， QIN Jing?fang， YING Jia?yi， HU Wei?wei

（Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute）

Abstract" "For purpose of investigating methane diffusion in a certain area after the leakage of natural gas pipeline， having FLUENT adopted to simulate the physical model established was implemented， including the discussion of different wind speeds’ influence on the methane diffusion property. The simulation results show that， the jet height at the high velocity core area is not high， and the higher wind speed results in the lower jet height at the high velocity core area; the smaller wind speed brings larger diffusion range of methane within a certain area， and the methane diffusion distribution becomes more uniform along with low local methane concentration; the greater wind speed can incur methane’s smaller diffusion range in a certain area and the methane would form local aggregation and raise local methane concentration.

Key words" "natural gas pipeline， methane leakage， diffusion， wind speed， steady state， FLUENT

作者簡(jiǎn)介：邵斌（1989-），工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)工作，240563465@qq.com。

引用本文：邵斌，秦敬芳，應(yīng)家儀，等.穩(wěn)態(tài)情況下天然氣管道泄漏數(shù)值模擬研究[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：83-87.