綜合管廊燃氣艙內天然氣泄漏擴散數值模擬

張承虎， 田貫三、2、3

(1.山東建筑大學 熱能工程學院， 山東 濟南 250101； 2.山東建筑大學 山東省建筑節能重點實驗室， 山東 濟南 250101； 3.山東建筑大學 可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室， 山東 濟南 250101)

燃氣管道的泄漏擴散是一個非常復雜的物理過程，按照以往的研究方法，對燃氣泄漏擴散的研究一般都是采用現場測試或者風洞模擬實驗的方法[1-2]，但是這兩種方法耗時很長，并且需要投入很多的人力、物力和財力。隨著科學技術快速發展，目前泄漏擴散的數值模擬分析非常普遍且準確度高，省時省力。

1 孔口泄漏量的分析

圓形小孔泄漏可以看做可壓縮氣體穩態泄漏，泄漏過程可以看做絕熱過程，燃氣按理想氣體考慮。由流體力學可知，由于孔口泄漏無擴壓段，泄漏速度不可能超過聲速，最大泄漏速度只能達到臨界狀態的聲速。此后無論管道壓力多大，出口流速都不可能再增加[3]。臨界壓力比見式(1)：

(1)

式中β——臨界壓力比

pa——環境壓力，Pa，取101 325 Pa

p1——管道內燃氣絕對壓力，Pa

κ——等熵指數，取1.29

在大氣環境條件下由式(1)求得泄漏臨界壓力約為0.18 MPa，所以燃氣管道絕對壓力高于0.18 MPa的孔口泄漏均處于超臨界狀態，泄漏噴射速度都是臨界速度。本文模擬臨界狀態時，以純甲烷代替天然氣。假設泄漏孔口直徑為10 mm。臨界泄漏量計算式[4]如下：

(2)

式中qm——臨界工況泄漏量，kg/s

μ——流量系數

d——漏孔口直徑，m

p2——泄漏部位管道中心線處的燃氣絕對壓力，Pa

Rcon——燃氣的氣體常數，J/(kg·K)

T2——泄漏部位管道中心線處的燃氣溫度，K

經過與文獻[4]第一作者、論文編輯的溝通，確認文獻[4]中的個別公式有排版問題，文獻[4]式(10)的分式中，“κ-1”應為“κ+1”，式(13)中“κ+2”應為“κ+1”。本文中公式是正確的。

2 模型的建立

① 燃氣泄漏控制方程及問題描述

天然氣的泄漏擴散過程遵循質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分守恒方程[5]。

本文模擬燃氣艙長200 m、寬2 m、高3 m，燃氣艙內天然氣管道直徑為300 mm，管道絕對壓力為0.18 MPa。機械進風口、排風口分別設置在燃氣艙的兩端。為簡化模型，模型建立時燃氣艙內的支墩忽略不計。模擬泄漏孔E～A距排風口水平距離分別為0.1 m、50 m、100 m、150 m、199.9 m時，燃氣艙內燃氣泄漏擴散的規律。由于泄漏孔口直徑與艙內天然氣管道直徑之比小于等于0.2，所以采用小孔泄漏模型進行計算[6]。小孔泄漏一般為持續時間長且不易察覺的穩態泄漏，潛在的危險比較大。

② 模擬所需參數計算

環境溫度取288 K，燃氣艙內環境視為大氣環境。燃氣艙進風口、排風口均為正方形，面積相等。面積可根據事故通風次數按式(3)[7]計算，本文按事故通風12次/h計算。得出進風口、排風口的尺寸為1.1 m×1.1 m。

(3)

式中A——通風口面積，m2

qV——通風口的最大通風量，m3/h

v——通風口風速，m/s

S——百葉遮擋系數，取0.65

根據GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》第7.2.3條，通風口的最大允許風速為5 m/s，通風口風速按5 m/s計算。

③ 幾何模型的描述

用Gambit2.4建立三維燃氣艙模型，泄漏口均為豎直向上噴射泄漏。泄漏簡化模型見圖1(由于燃氣艙非常狹長，為顯示全局方便對比，豎直方向縮放比例與水平方向縮放比例不同。

圖1 泄漏簡化模型

④ 網格劃分

利用Gambit2.4劃分網格。考慮到所建三維燃氣艙模型比較大，以及現有計算機的運行能力，所以設置網格尺寸Interval size為0.1，網格Elements為Tet/Hybrid，Type為TGrid。生成網格數量約800×104。

⑤ 各項設置

利用Fluent6.3進行模擬，選擇3D單精度計算器；求解器設置中，選擇默認設置；模型設置，開啟能量方程，選擇標準的k-ε模型；采用空氣和甲烷的組分傳輸模型；材料設置，流體選擇空氣和甲烷，其密度按incompressible-ideal-gas考慮；操作條件設置，選擇重力場，重力加速度的值為-9.81 m/s2；邊界條件設置，通風口進口為速度出口邊界條件，通風口出口為機械排風口邊界條件，泄漏口泄漏量設置為0.019 5 kg/s，通風口風速為5 m/s。

3 數值模擬及結果分析

① 數值模擬

本文模擬臨界工況的圓形小孔泄漏擴散，泄漏速度為臨界速度。燃氣艙內每小時換氣次數12次/h，計算艙內空氣流動平均速度為0.67 m/s。管廊屬于狹長空間，文獻[8]經過對多種湍流模型進行對比和分析，得出標準的k-ε模型分析狹長空間內氣體擴散規律的精度較其他模型更高。考慮浮力和組分的影響，不考慮化學反應過程，不同泄漏孔泄漏燃氣艙內甲烷體積分數分布(軟件截圖)分別見圖2～6。

圖2 泄漏孔A泄漏燃氣艙內甲烷體積分數分布

圖3 泄漏孔B泄漏燃氣艙內甲烷體積分數分布

圖4 泄漏孔C泄漏燃氣艙內甲烷體積分數分布

圖5 泄漏孔D泄漏燃氣艙內甲烷體積分數分布

圖6 泄漏孔E泄漏燃氣艙內甲烷體積分數分布

② 結果分析

通過圖2～6可以看出，燃氣艙內的天然氣管道發生泄漏，在事故通風條件下甲烷體積分數大部分集中在5%～20%，泄漏孔A泄漏后燃氣艙內處于爆炸危險狀態，天然氣的爆炸極限范圍為5%～15%，泄漏孔A泄漏后燃氣艙內的危險度最高，甲烷擴散范圍最大，擴散的甲烷隨著通風氣流充滿整個燃氣艙，使艙內幾乎都處于爆炸危險區域。泄漏孔A、B、C、D、E泄漏后甲烷擴散范圍依次減小，危險度依次降低，泄漏孔E泄漏后危險度最低，由于泄漏孔E距離排風口最近，燃氣艙通風時，甲烷會在較短的時間內及時排出燃氣艙。

4 結論與建議

① 結論

a.分析燃氣管道圓形孔口泄漏量，建立了一段長200 m，寬2 m，高3 m的燃氣艙模型，機械進風口、排風口分別設置在燃氣艙的兩端，用CFD進行數值模擬。分析泄漏孔距排風口水平距離分別為0.1 m、50 m、100 m、150 m、199.9 m時，燃氣艙內燃氣泄漏擴散的規律。

b. 漏孔距離排風口越近，燃氣泄漏后的擴散范圍越小，其危險度也越低；距離排風口越遠，燃氣泄漏后的擴散范圍越大，危險度也越高。

② 建議

a.通過對燃氣泄漏擴散的數值模擬，燃氣管道泄漏之后，在通風作用下，擴散區域大部分處于危險爆炸范圍內，遇明火極易發生爆炸，通風難以降燃氣艙的危險度，所以燃氣艙內燃氣管道的建設中應提高管道建設標準、提高管道檢查質量、增加管道壁厚、提高管道防腐標準等。

b.根據燃氣在艙內泄漏后距離排風口越近危險度越小的特點，建議在管廊進風口、排風口處的風機能夠雙向通風或者在每個風口處分別安裝進、排風兩個風機，當發生泄漏事故時通過感應系統確定泄漏口位置，就近排風，將危險度降到最低。

c.天然氣是易燃易爆的氣體且比空氣輕，為防止天然氣在泄漏之后造成更嚴重的影響，首先，管廊多艙上下布置時，燃氣艙應布置在管廊上方；其次，燃氣艙排風口的朝向不應開在人員密集、車流量較大的方向，并且不能與其他燃氣艙的通風口毗鄰。