基于FLUENT的城鎮燃氣管道泄漏擴散模擬研究

羅明偉，段枷亦，汪雙星

(1.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2.重慶聚祥燃氣有限公司，重慶 400000)

城鎮燃氣管道是一個城市重要的生命線工程之一，但每年因管理不善、人為疏忽、違章操作、設備材料失效和第三方破壞等因素導致的城鎮燃氣管道泄漏事故時有發生，造成的物料和能量的損失、環境污染、人員傷亡和財產損失等危害給社會公共安全與和諧穩定帶來極大的負面影響。因此，研究城鎮燃氣管道泄漏擴散，最大限度地遏制燃氣事故造成的損害顯得十分必要。

目前，國內外專家和學者針對氣體泄漏擴散進行了一定的研究，先后提出了如高斯模型、唯象模型、Sutton模型、箱及相似模型、三維流體力學模型和淺層理論等，其特點主要表現為利用氣體擴散的一般規律和實驗結果數據分析擬合得出半經驗半理論模型，但其計算結果的準確性很大程度上依賴于實際氣體擴散條件(如泄漏類型、自然風向和強度、大氣壓力梯度分布、周圍地形建筑等)與模型相接近的程度。本文利用FLUENT構建城鎮燃氣管道泄漏擴散模擬模型，研究掌握氣體在一定風速和有限空間條件下的擴散規律和甲烷濃度分布規律，為有效預測城鎮燃氣管道泄漏擴散的影響范圍提供理論依據。

1 數值模擬

1.1 問題描述

本文選擇研究的城鎮燃氣管道管徑為159×4 mm(DN150 mm)，考察長度為5 km(兩截斷閥間距)，環境溫度為300K。為簡化研究，選取甲烷體積分數為100%的天然氣為燃氣管道泄漏氣體，泄漏口采用二維孔口模型，左側水平向右風向，并取一個足夠大且包含泄漏區域和擴散區域在內的空間(高50 m，泄漏半徑25 m)分析氣體擴散情況。模型簡圖如圖1所示。

圖1 模型簡圖

1.2 基礎模型的選擇

城鎮燃氣管道泄漏擴散的過程需遵循連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流控制方程。

(1)連續性方程：

(1)

式中，ρ為流體的密度，kg/m3；t為時間，s；u為速度矢量，m/s。

(2)動量方程：

(2)

(3)能量方程：

(3)

式中，E為流體微團的總能，J/kg；h為焓，J/kg，；keff為有效熱傳導系數，W/(m·K)； Jj為組分j的擴散通量；Sh為包含了化學反應熱及其他用戶定義的體積熱源項。

(4)湍流模型選擇常用的標準k-ε模型：

(4)

(5)

式中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能；Gb是由于浮力引起的湍動能產生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數，FLUENT中默認值為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；σk、σε分別為湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數，FLUENT中默認值為σk=1.0、σε=1.3；Prt為湍動普朗特數，默認取Prt=0.85；gi為重力加速度i方向上的分量；β為熱膨脹系數；Mt為湍動馬赫數；a為聲速。

1.3 網格模型的建立

基于FLUENT中2D計算器，考慮浮力和組分的影響，啟用組分輸運與化學反應模型，由于燃氣管道及小孔均為對稱實體，因此模擬時可簡化為二維模型以減小計算量。

利用GAMBIT建立二維管道的泄漏模型，管道起點坐標(0，0)，發生泄漏的區域50×50 m，忽略地形地勢的影響，采用結構化網格和非結構化網格相結合的方法構建模型。由于管道泄漏口附近壓力會有變化，為了提高計算的準確度，在管道泄漏口及其周圍加強網格細化如圖2所示。

圖2 泄漏擴散網格模型

1.4 邊界條件的確定

利用FLUENT確定邊界條件類型，考慮風速影響時，定義泄漏口為速度入口，左側邊定義為速度進口，將計算區域最上方的3條線及右側邊定義為壓力出口，如表1所示。

由此，本文在以上數值模型及求解器設定下，對兩種不同泄漏孔徑(0.04 m和0.06 m)和三種不同風速(0 m/s、4 m/s、6 m/s)條件下的泄漏流場進行模擬分析。

表1 邊界條件表

2 計算結果分析

2.1 模擬風速與泄漏孔徑對泄漏流場速度影響分析

通過FLUENT模擬計算得到不同風速條件下泄漏孔徑0.04 m時泄漏流場速度分布云圖如圖3所示，泄漏孔徑0.06m時泄漏流場速度分布云圖如圖4所示。

(a)風速0m/s

(b)風速4m/s

(c)風速6m/s

(a)風速0m/s

(b)風速4m/s

(c)風速6m/s

六種不同泄漏情況下的流場速度分布云圖中速度最大值見表2。

表2 六種泄漏情況下的流場速度最大值

通過比較以上6種不同泄漏情況下的速度場分布云圖和速度最大值情況可知：

(1)在相同泄漏孔徑下，外部風速從0m/s增加到6m/s時，燃氣射流最大速度逐漸變大。相同風速條件下，0.06 m泄漏孔徑下的泄漏最大速度高于0.04 m泄漏孔徑下的泄漏最大速度，與此同時，0.06 m泄漏孔徑下的射流在外部影響范圍明顯大于0.04 m的情況。

(2)在不同風速下的氣體噴射速度分布明顯不同，射流從泄漏孔徑中心位置噴出，然后進入到外部空間，射流以扇形擴展，其速度分布以扇形中心角處為最大。隨著風速的變大，燃氣泄漏噴射射流與X軸正方向的夾角不斷變小，同時射流在X軸正方向偏轉程度變大。

2.2 模擬風速與泄漏孔徑對泄漏甲烷濃度影響分析

通過FLUENT模擬計算得到不同風速條件下泄漏孔徑0.04m時泄漏甲烷濃度分布云圖如圖5所示，泄漏孔徑0.06m時泄漏甲烷濃度分布云圖如圖6所示。

(a)0m/s

(c)6m/s

(a)0m/s

(c)4m/s

(c)6m/s

通過比較以上6種不同泄漏情況下的甲烷濃度分布云圖可知：

(1)燃氣管道發生泄漏時，甲烷隨來風方向發生擴散，隨著擴散時間的增加，甲烷濃度逐漸增加。

(2)在相同泄漏口徑時，隨著風速的增加，甲烷在X方向上擴散范圍增大，Y方向的擴散范圍變化不明顯，但能達到設定的泄漏高度。

(3)在相同風速條件下，隨著泄漏孔徑的增大，甲烷在X方向上擴散范圍增大，Y方向的擴散范圍變化不明顯，但能達到設定的泄漏高度。

(4)無論哪種泄漏情況下甲烷濃度在泄漏口附近較密集，但在一定高度后，泄漏氣體變得較為稀疏。

3 結論

本文根據燃氣管道特性，利用FLUENT對燃氣管道發生泄漏的氣體擴散問題進行模擬分析，得出甲烷在不同風速不同泄漏孔徑下的速度分布云圖和甲烷濃度分布云圖，研究表明：

(1)燃氣管道發生泄漏時，泄漏孔徑大小直接影響外部受影響范圍的大小，且孔徑增大也會造成最大泄漏速度的增大。

(2)燃氣管道泄漏流場速度分布受到外部環境的風和泄漏孔徑的影響，其流動最大速度位于泄漏孔徑中心位置，且風速影響著外部氣體與X軸正方向的偏轉幅度，同時風速增大射流偏轉幅度越大。

(3)燃氣管道泄漏口附近氣體泄漏速度較快，氣體擴散近似自由射流，甲烷濃度分布隨著風速的增加和泄漏孔徑的增大，在X方向上擴散范圍增大明顯。

(4)燃氣管道在泄漏口處甲烷濃度分布較密集，氣體攜帶較大的動量，此時外部環境中的風對其濃度影響不大，而泄漏氣體動量會隨著擴散高度增加逐漸減小，外部環境中風的影響則逐漸明顯。

參考文獻

[1]程猛猛，趙 玲，吳 明，等．架空天然氣管道泄漏擴散數值模[J]．遼寧石油化工大學學報，2013，33(3):32-34．

[2]朱伯齡，於孝春，李育娟．氣體泄漏擴散過程及影響因素研究[J]．石油與天然氣化工，2009，38(4)：354-358．

[3]桑 博，蘭惠清，余學立，等．燃氣管道泄漏過程模型的研究進展[J]．油氣儲運，2011，30(8)：608-613．

[4]劉 欣．可燃氣體泄漏擴散的CFD模擬研究[D]．天津：天津大學化工學院，2011．

[5]Manabu Kotani，Masanori Katsura，Seiichi Ozawa.Detection of gas leakage sound using modular networks for unknown environments[J]. Neurocomputing,2004 (62):427-440.

[6]Shimanskiy S，T lijima，Nao T.Development of microphone leak detection[J].Technology on Fugen NPP.Progress in Nuclear Enery,2003,43(1):357-364.