成品油在大氣中擴散的數值模擬分析

解寧 羅鑫楷　梁永圖　薛文第　何國璽　（中國石油大學（北京））

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成品油在大氣中擴散的數值模擬分析

解寧 羅鑫楷梁永圖薛文第何國璽（中國石油大學（北京））

埋地成品油管道泄漏后，成品油如果滲出地面或聚集到地面低洼處，在成品油強揮發性下會迅速產生大量的油蒸汽，油蒸汽又會在風速作用下快速向四周蔓延，無論發生燃燒還是爆炸都會給管道運營企業、沿線居民帶來巨大的生命和財產損失。通過建立輸油管道泄漏擴散過程的物理模型，利用COMSOL軟件進行二維數值模擬，分析成品油在大氣中泄漏不同時間內最大橫向擴散寬度、最大縱向擴散深度的變化規律，有助于分析事故后果影響范圍，提高事故的應急控制能力。

成品油管道；泄漏；擴散

1　概述

近年來，隨著我國成品油管道的建設與發展，面臨的安全形勢越來越嚴峻。管道在地面敷設時，管道泄漏后油品將揮發，當泄漏量超過油品的閃蒸速度時，泄漏出來的油品會在一定區域內蔓延成一個污染區［1］，容易造成火災、爆炸等事故，給國民經濟和生產企業造成巨大的損失，并嚴重影響石油和天然氣生產企業的社會形象。因此，管輸事故條件下汽油泄漏擴散的規律研究對于事故應急搶險方案制定、工藝實施、安全性控制等具有重要意義［2］。

成品油蒸汽的擴散是一個隨時間、空間變化的動態過程，符合大氣擴散的基本規律。通過利用COMSOL軟件進行模擬分析，研究成品油（汽油）及其蒸汽在大氣中的擴散規律。做以下簡化：所有流體遵循連續介質假設，流體不可壓縮，且密度保持不變；滲流中考慮氣、液（油）兩相，且每一相的滲流均遵守達西定律；油品從泄漏孔噴出為自由射流。

用COMSOL軟件建立反映輸油管道實際尺寸的幾何模型，成品油管道的公稱直徑0.4 m，管內壓力20 MPa、流速10 m/s，在管道下部取漏孔，建立輸油管道小孔泄漏擴散的二維模型。

2　模型建立

COMSOL是一款大型的高級數值仿真軟件，以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實現真實物理現象的仿真。COMSOL中定義模型非常靈活，材料屬性、源項、邊界條件等可以是常數、任意變量的函數、邏輯表達式、實測數據的差值函數等。在建立模型時

3　成品油在大氣中的擴散規律

模型搭建后，分析在不同風速、泄口噴出速度和泄漏口孔徑情況下，成品油及其蒸汽在大氣中的擴散規律。

3.1風速

在泄口流速為5 m/s的情況下，設置三種不同風速，得到泄漏發生后0 s、0.4 s、1 s、3 s的擴散半徑和最后穩定噴射高度（圖1、圖2）。

圖1　不同風速條件下泄漏發生t=0s、0.4s、1s、3s時的成品油擴散半徑

圖2　不同風速條件下泄漏發生t=0s、10s時的成品油最大擴散高度

圖5　不同泄漏口孔徑條件下泄漏發生t=0.4s、1s、3s時的成品油擴散半徑

從圖1、圖2可以看出，風速對于最大噴出高度幾乎沒有影響；風速對擴散半徑有影響，風速越大，擴散半徑越大。通過SPSS軟件的數據分析功能對最大擴散半徑進行回歸分析。在擴散時間相同的情況下，風速越大，順風方向的最大擴散半徑越大，且最大擴散半徑和風速成二次關系。

3.2泄口油品噴出速度

在無風條件下，設置3種噴出速度，得到泄漏發生后0.4 s、1 s、3 s的擴散半徑和最后穩定噴射高度（圖3、圖4）。

圖3　不同噴出速度條件下泄漏發生t=0.4s、1s、3s時的成品油擴散半徑

圖4　不同噴出速度條件下泄漏發生t=0s、10s時的成品油最大擴散高度

從圖3、圖4可以看出，泄口噴出速度對于最大噴出高度和最大擴散半徑幾乎沒有影響。泄口噴出速度對于最大噴出高度沒有影響這一點與常識不符，大的噴出速度使油品具有更大的初速度，理論上可以達到更大的高度。但是涉及到的最大高度是成品油蒸汽擴散可達到的最高高度，雖然在不同噴出速度條件下，成品油液體可以噴射達到不同的高度，但是成品油蒸汽能擴散到的最大高度基本不變。

圖6　不同泄漏口孔徑條件下泄漏發生t=0s、10s時的成品油最大擴散高度

3.3泄漏口孔徑

在無風、噴出速度為5 m/s條件下，設置3種泄漏口孔徑，得到泄漏發生后0.4 s、1 s、3 s的擴散半徑和最后穩定噴射高度（圖5、圖6）。

從圖5、圖6可以看出，泄口孔徑對于最大噴出高度幾乎沒有影響，對最大擴散半徑在較短噴射時間內幾乎沒有影響，隨著時間的推移，泄漏口孔徑越大，最大擴散半徑越大。

4　結論

成品油在大氣中的擴散，風速對于最大噴出高度幾乎沒有影響，對擴散半徑有影響。通過模擬出下風向的擴散半徑，可以縮短泄漏后果評估的時間，提高事故后果評估精度。泄口噴出速度對于最大噴出高度和最大擴散半徑幾乎沒有影響。泄口孔徑對于最大噴出高度幾乎沒有影響，對最大擴散半徑在較短噴射時間內幾乎沒有影響，隨著時間的推移，泄漏口孔徑越大，最大擴散半徑越大。

［1］周曉瑩，焦光偉，陳思維.汽油輸送管道泄漏蒸發擴散規律研究［J］.中國儲運，2011，10（2）：122-124.

［2］鄭津洋.長輸管道安全風險安全辨識、控制、評價［M］.北京：化學工業出版社，2004：125-126.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.019

2016-06-21

（編輯沙力妮）

解寧，中國石油大學（北京），2014級在校學生，E-mail：pku123@yeah.net，地址：北京市昌平區中國石油大學（北京）機械與儲運學院，102249。