城市建筑環境下燃氣泄漏擴散的數值模擬

阿克蘭

（常州大學石油工程學院，江蘇常州 213000）

天然氣管道發生泄漏會造成一定的危險性，很有可能造成爆炸等危害性極大的事故[1]。通過對泄漏氣體擴散之后危險范圍的研究，可以確定天然氣泄漏擴散形成的危險區域。天然氣為易燃易爆，有毒有害混合物，一旦泄漏擴散，極易引起爆炸燃燒事故，造成人員傷亡[2]。對于天然氣管道泄漏擴散的數值模擬可以準確預測泄漏擴散范圍和危險區域，為決策者及時有效地疏散居民并采取適當的救援措施提供科學指導。

1 數值模擬建立模型及邊界條件設置

建立幾何模型時，設置道路總寬24m，建筑物高30m，天然氣管道敷設在人行道中央，距離右側建筑物2m。沿道路敷設的天然氣管道因第三方破壞而斷裂，導致在地面處發生天然氣泄漏。簡化上述模型，設置泄漏口圓心距離坐標原點85m，泄漏口附近壓力梯度變化極大，所以在泄漏口劃分的網格采用加密處理，以確保有較好的計算精度。此次模擬的管道壓力為0.4MPa，管道內徑為0.2m，故泄漏孔徑設為0.2m，即管道完全斷裂。據文獻[3]計算得到泄漏量為5.75kg/s，出口邊界與大氣相連，定義為壓力出口，環境溫度為15℃。

2 模擬結果分析

2.1 泄漏時間

在不考慮風速的前提下，基于上述模型和邊界條件進行模擬計算，得出天然氣泄漏擴散后甲烷體積分數隨時間的變化見圖1（圖1a～圖1c）中，水平方向數值表示到原點的距離，豎直方向數值表示高度，單位為m；色階圖表示甲烷體積分數）。

圖1 甲烷體積分數隨時間的變化

由圖1a 可知，t=0.1s 時建筑物對泄漏擴散沒有影響，射流軸線兩側壓力保持平衡。t=3s 時由于建筑物的影響，射流中心線右側沒有足夠的空間，而左側天然氣氣流不斷卷吸周圍的空氣，帶動周圍空氣進入邊界層向射流中心擴展，增加邊界層厚度，使過流斷面沿射程逐漸增大，由于重力與浮力的不平衡作用，無法形成對稱射流，射流中心線向右側傾斜。隨著擴散繼續進行，t=6s 時向右側傾斜的氣流帶動更多天然氣靠攏并緊貼建筑物向上擴散，而在底部泄漏口與建筑物之間則產生渦流現象。

2.2 管道壓力

模擬管道直徑和泄漏孔徑均為0.2m，管道壓力p分別為0.4MPa、0.8MPa 和1.6MPa（時 泄 漏 量 分 別 為5.75kg/s、10.65kg/s、20.30kg/s）的泄漏擴散情況。如圖2（圖2和圖3中，靠近右側的圖為局部放大圖，圖中甲烷體積分數分布為t=10s時的值），隨著管道壓力的增加，泄漏量上升，泄漏速度提高，射流主體段卷吸的空氣量小，泄漏口處的擴散效應逐漸明顯，即加速的射流氣體和周圍氣體進行更為劇烈的質量、動量交換，使得射流過流斷面不斷變大，最終擴大天然氣的擴散范圍。

圖2 不同管道壓力下泄漏空間甲烷體積分數分布及局部放大圖

2.3 泄漏口與建筑物距離

模擬管道壓力為0.4MPa，管道直徑為0.2m，泄漏孔徑為0.2m 情況下，在泄漏口與建筑物距離L分別為0.5m、1m、2m 時的泄漏擴散情況。不同泄漏口與建筑物距離時甲烷的體積分數分布及局部放大圖見圖3。泄漏量相同的情況下，隨著泄漏口與建筑物距離增加，射流受建筑物影響減小，泄漏口處射流彎曲弧度變小，渦流區區域及危害范圍減小，貼附建筑物擴散危險系數降低。

圖3 泄漏口距建筑物不同距離時泄漏空間甲烷體積分數分布及局部放大圖

3 結論

1）在射流初始階段，高速氣流帶動空氣向上運動，隨著射流高度的增加，氣體射流速度逐漸減小，甲烷逐漸向四周擴散。

2）建筑物對甲烷體積分數分布和變化產生很大影響，射流軸線向建筑物發生偏轉，擴散氣體沿建筑物壁面向上運動。

3）在高空擴散的甲烷對居民危害不大，但泄漏的天然氣緊貼泄漏口附近的建筑物壁面向上擴散，若從開啟的門窗擴散到住宅內，可能造成爆炸。