基于CFD模擬的天然氣運輸過程泄露模擬研究

劉鑫 劉紫微 薛斌（新疆石油工程設計有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

基于CFD模擬的天然氣運輸過程泄露模擬研究

劉鑫 劉紫微 薛斌（新疆石油工程設計有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

天然氣在管道運輸的過程中，長周期運行及管道腐蝕等原因會造成天然氣泄漏，使得天然氣在高壓下易燃易爆。本文采用CFD數值模擬方法，模擬天然氣管道，獲得豐富的流動及濃度場等特性的分布信息，為天然氣泄漏的預防和控制提供理論依據。研究結果發現，甲烷泄漏到大氣中形成自由射流，甲烷在泄漏孔處出現較大速度，而后由于流域中空氣的阻力作用，使得射流作用減弱，流體向四周擴散，流體的速度由中心向四周逐漸減弱。甲烷組分擴散較快，在噴嘴附近易形成較高濃度的甲烷并迅速擴散到流域中。甲烷在水平方向的擴散要小于豎直方向，而且水平方向存在較大的濃度梯度。

CFD;天然氣;泄露

眾所周知，隨著我國能源結構的調整及天然氣的應用廣泛，天然氣管網的覆蓋范圍越來越大。在天然氣的利用過程中最主要的困難為天然氣的存儲和運輸。天然氣管道作為運輸天然氣的經濟方案之一，然而在管道運輸的過程中，長周期運行及管道腐蝕等原因會造成天然氣泄漏，使得天然氣在高壓下易燃易爆，可能會造成較大的人員傷亡和財產損失。所以研究天然氣管道運輸泄漏過程是預防和解決泄漏問題的關鍵所在。隨著計算流體力學（Computational fluid dynamics，簡稱“CFD”）以及計算設備的日益強大，CFD數值模擬方法越來越廣泛的用于污染物擴散過程的模擬研究。利用CFD模擬可以在較短的時間內得到豐富的流動及濃度場特性的分布信息，還可以為天然氣泄漏的預防和控制提供理論依據。

1 模擬對象及工況設置

首先，利用CAD軟件進行天然氣泄漏空域進行幾何建模，如圖1所示。為了讓天然氣擴散更充分，本文選用了1000 m× 1000 m的空域。泄漏區域在空域的下部中間位置，即天然泄漏點，泄漏點為長度為0.1 m。由于天然氣的射流和組分的擴散均發生在泄漏點附近，所以對泄漏點區域的網格進行了優化。在泄漏點附近采用加密網格，而在流域的其他部分采用粗網格，這樣處理既保證了流場和濃度場的計算精度的需要，粗細網格的搭配，減少了網格數目，也滿足計算速度的要求。其流域的網格劃分入圖2所示。

圖1.天然氣泄漏空域

圖2.網格劃分

2 數學模型

流域流動特性的模擬采用N-S方程描述，其適用于可壓縮粘性流體的流動，其運動方程如下：

氣體泄漏過程中不僅涉及氣體的流動，還涉及組分的擴散和對流。采用氣體組分的擴散方程來描述。其中天然氣設甲烷為主要組分，泄漏點設為速度入口，質量流率為50 kg/s，地表邊界設為無滑移邊界，其余三邊出口設置為壓力出口。天然氣和流域的初始化溫度均設為300 K。

3 結果分析和討論

天然氣管道產生裂縫，會導致高壓天然氣氣體從裂縫處高速射流進入空域中。圖3和圖4是天然氣泄漏50 s后，氣體速度的分布云圖和甲烷組分的濃度場分布等高線。由圖3可知，甲烷泄漏到大氣中形成自由射流，甲烷在泄漏孔處出現較大速度，而后由于流域中空氣的阻力作用，使得射流作用減弱，流體向四周擴散。流體的速度由中心向四周逐漸減弱，這是由于空氣和甲烷分子之間存在粘附力對天然氣的流動造成較強的粘附作用。從圖4可以看出，甲烷組分擴散較快，在噴嘴附近易形成較高濃度的甲烷并迅速擴散到流域中。由于氣體在水平方向存在較小的速度且受空氣粘性力及阻力的影響，甲烷在水平方向的擴散要小于豎直方向，而且水平方向存在較大的濃度梯度。

圖3 天然氣泄漏過程速度分布

圖4 天然氣擴散過程甲烷濃度分布

4 結語

通過采用CFD數值模擬方法模擬天然氣泄漏過程，研究結果發現，甲烷泄漏到大氣中形成自由射流，甲烷在泄漏孔處出現較大速度，而后由于流域中空氣的阻力作用，使得射流作用減弱，流體向四周擴散，流體的速度由中心向四周逐漸減弱。甲烷組分擴散較快，在噴嘴附近易形成較高濃度的甲烷并迅速擴散到流域中，且甲烷在水平方向的擴散要小于豎直方向，而且水平方向存在較大的濃度梯度。上述研究可以為天然氣泄漏的預防和控制提供理論依據。

劉鑫（1990-），新疆石油工程設計有限公司，男、漢族、新疆維吾爾自治區，工學學士，助理工程師，研究方向：油氣長輸管道線路、工藝、站場