開窗條件對室內天然氣擴散影響的模擬研究

石劍云，潘科

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

隨著燃氣在居民生活中的普及程度越來越高，燃氣事故風險也隨之加大.室內燃氣泄漏后，是一個受限空間內的浮力射流在對流和擴散作用下的氣體擴散過程.研究燃氣泄漏擴散過程對預防室內燃氣事故有重要意義.

吳晉湘等[1]在一側開有通風窗的模擬室內進行了液化石油氣的泄漏實驗，發現燃氣濃度隨高度分層，可燃區域是一個有一定厚度的水平區域.隨著計算機技術的發展，CFD(計算流體力學)被廣泛應用于室內燃氣泄漏擴散研究.郭楊華[2]、薛海強[3]、黃小美等[4]對氣體在受限空間內泄漏擴散的實驗和數值模擬結果進行了對比，證明了數值模擬與實驗結果符合較好.王亞沖[5]驗證了Reynolds平均湍流模型在氣體擴散模擬中的有效性.這些研究對于CFD技術應用于室內燃氣泄漏擴散起到了重大推動作用.

燃氣在泄漏擴散過程中，可燃區域在時刻變化.范旭東[6]通過對餐館廚房的燃氣泄漏模擬，研究了天然氣泄漏后在高度上的非均勻分布現象，發現濃度沿房間高度變化呈現雙線性的特征.于義成[7]發現泄漏量越大室內燃氣濃度的分層現象越不明顯，危險性越高.陳琪等[8]模擬了室內天然氣發生微量泄漏時氣體的擴散累積情況，發現狹小空間及阻礙物區域燃氣濃度累積較快.韓永華等[9]研究了空間阻塞率對燃氣擴散的影響，發現空間阻塞率超過一定值時，室內將形成危險區域.

門窗開啟及通風條件對燃氣擴散的影響是眾多研究者關注的熱點.黃小美等[4]、盧鑒瑩等[10]研究發現，門窗關閉時可燃區域會先增大后減小，隨著門窗開度增大，可燃區域會達到穩定值.李紅培[11]發現，對于開放式廚房，開窗有風和用隔斷對廚房進行隔離可以降低事故風險.張麗[12]的數值模擬結果顯示室外通風會使爆炸危險區域很快達到穩定，風速超過一定值時，爆炸區域變小.于菲菲等[13]模擬了廠房內的燃氣管道泄漏，發現風速在小孔泄漏時影響較大，風速對位置較高處的影響大于地面附近.Zhirong Wang等[14]針對室內CO2在通風條件下的的泄漏擴散進行了數值模擬和實驗研究，發現氣體濃度在下風側先增大再趨于穩定，障礙物迎風側會出現高濃度區.

以上學者的研究大大推進了人們對燃氣泄漏擴散過程的認識.然而，現實中場景和影響因素眾多，不同影響因素對燃氣擴散的綜合作用還有待深入研究.本文擬重點研究泄漏速率和門窗條件對燃氣擴散的綜合作用，從而為燃氣泄漏事故的預防和應急處理提供理論依據和參考.

1 數值計算模型

1.1 物理模型

本文以廚房天然氣泄漏為研究場景.該廚房布局見圖1，長×寬×高=3 m×2.2 m×2.4 m，下廚柜占去3 m×0.6 m×0.8 m的空間，一門一窗，泄漏口中心坐標為(1，0.3，0.8).文中采用了3種窗戶A、B、C.門、窗尺寸見圖2.門下留有0.01 m門縫，門套、窗套寬度0.2 m.

1.2 計算模型

描述天然氣在室內泄漏擴散過程的基本控制方程主要有質量、動量、能量和組分輸運方程，所有方程可表示為[14-15]

(1)

式中,φ代表變量，Γφ為此變量的擴散系數，Sφ為此變量的源項.將φ取不同的變量(密度、速度、能量、體積分數)，并取相應的擴散系數和源項，即可得到各控制方程.

使用ICEM CFD軟件建立如圖1所示的三維幾何模型，并進行結構化網格劃分.對泄漏口、壁面等位置網格進行加密，并經反復調試，綜合計算的精度和效率，取網格數量11.2萬.采用Fluent 15.0進行計算模擬，選用SIMPLE算法、標準k-ε模型，開啟組分輸運模型和能量方程.

2 計算場景

假設大氣壓力為101325Pa，溫度300K.泄漏天然氣為純甲烷(CH4).參考《家用燃氣灶具》(GB 16410-2007)5.1.1規定，泄漏口設置為2000kPa的壓力入口.

泄漏口簡化為正方形，采用了3種尺寸參數，以實現高、中、低三種泄漏速率.改變泄漏口尺寸、門窗位置及大小、通風條件等參數，文中模擬了室內天然氣泄漏的11種不同情景，參數設置見表1.

表1 計算情景及參數

考慮到廚房內頂部、中部、底部的插座為潛在的引火源，參考插座高度，設置了P1、P2、P3三個測點實時記錄CH4的體積濃度，坐標分別為(1,0,2.1)、(1,0,1.2)、(1,0.6,0.3).CH4的爆炸極限約為5%～15%，將CH4體積濃度處于5%～15%之間的區域稱為爆炸區域，在Fluent計算過程中實時判定爆炸區域的體積并用內存變量記錄.

3 計算結果分析

3.1 泄漏口面積影響

情景1、2均為門窗關閉狀態，泄漏口面積比為4∶1.兩種情景下的P1、P2、P3三個測點的CH4體積濃度隨時間變化曲線見圖3.由圖3可看出：①在門窗關閉狀態下，室內CH4的濃度基本呈線性升高的趨勢；②泄漏口的面積越大，室內CH4的濃度升高速率越大，CH4的濃度升高速率基本上與泄漏口面積成正比；③室內CH4濃度呈現隨高度分層的現象，水平位置越高CH4濃度越大，泄漏口面積越小濃度分層越明顯.

分別取情景1、2中600 s時刻，圖4為此時刻x=1(穿過泄漏口)處切片的CH4體積濃度等值線分布圖.可看出：CH4射流呈漏斗形向上方擴散，此漏斗區為CH4濃度最高區域；由于CH4密度低于空氣，泄漏出的CH4在初始射流速度和浮力的雙重作用下匯聚于屋頂，室內上部空間為CH4高濃度區域；CH4逐漸從高濃度區域向低濃度區域擴散，從而形成了CH4的濃度分層.情景1中泄漏速率遠大于情景2，因此射流的空間擾動作用也比較強，從而使情景1中的濃度分層相對較小.

情景1、2、10中的爆炸區域體積隨時間的變化見圖5.可以看出：①情景1中泄漏速率遠大于情景2，導致情景1中爆炸區域的形成時間遠小于情景2：情景1中200 s左右爆炸區域達到最大，基本上廚房內部全部為爆炸區域；情景2中400s左右爆炸區域達到最大.②由于CH4濃度超過15%將不能被引爆，隨著CH4濃度持續升高，爆炸區域達到最大后逐漸減小直至消失.情景1中爆炸區域持續時間遠低于情景2，分別約為300s和800 s.③情景10中，當室內天然氣濃度超過爆炸上限后關閥，打開窗戶A.結果顯示開窗后爆炸區域重新增大并長時間保持.這說明情景1、2中的CH4濃度過高使得爆炸區域消失并不表示爆炸危險性消失了，室內仍存在較大的爆炸風險.

3.2 門窗啟閉及通風條件的影響

(1)門窗啟閉及通風狀態對燃氣擴散的影響

情景2、4、9分別為在中等泄漏速率下關窗、開窗、通風三種情況.圖6為三種情景下爆炸區域的體積對比，圖7為三種情景下600 s時刻的速度矢量圖及CH4濃度云圖.由于泄漏口速度過高，不便于比較，圖7中舍去了泄漏口的速度矢量.圖7中的CH4濃度云圖用陰影表示，圖7(a)～7(c)中的陰影區域體積基本相同，但陰影區域的CH4體積濃度閾值分別為0.05、0.04、0.001.綜合圖6、7可看出：①情景2中的爆炸區域體積、CH4濃度均略高于情景4.從圖7的速度矢量圖中可看出情景4中部分高濃度氣體通過窗戶向外擴散，這是導致情景4中爆炸區域、CH4濃度略低的原因;②情景9中爆炸區域體積幾乎為0，CH4濃度也僅為情景2中的2%左右.速度矢量圖顯示大量氣體向窗外高速擴散.這表明向室外通風對于降低室內燃氣濃度非常有效.

(2)開啟窗戶的作用分析

3.2節第(1)部分表明，開啟窗戶會使高濃度氣體向室外擴散，對降低CH4濃度有一定作用.情景3、4、5為開啟窗戶時分別選取不同的泄漏口尺寸的情況.圖8為三種情景下爆炸區域的體積對比.可以看出：泄漏口越小，開窗對減小室內爆炸區域的作用越明顯；泄漏口很小時，開啟窗戶使得室內CH4濃度很難達到爆炸極限.

情景4、6、7在相同泄漏速率下開啟了不同的窗戶.情景4、6中的窗戶面積相同，但情景4中的窗戶為中部安裝，情景6中的窗戶為上部安裝.情景7中的窗戶面積是情景4、6中的2倍.圖9顯示了三種情景中P2測點的濃度變化.圖10顯示了三種情景下的爆炸區域體積.

圖9、10顯示：①情景4中的測點濃度略高于情景6，但情景6中的爆炸區域體積略高于情景4，這表明窗戶的高度在一定范圍變化對CH4擴散有影響，但影響不明顯.②情景7中的測點濃度、爆炸區域體積均遠低于情景4、6，這表明窗戶面積加倍大大加快了CH4向室外擴散，從而降低了爆炸風險.

(3)窗戶通風的作用分析

3.2節第(1)部分表明，通風對降低室內CH4濃度有較大作用.情景8、9在打開門和窗戶A通風的條件下分別采用了1 cm×1 cm和0.5 cm×0.5cm的泄漏口尺寸.圖11為兩情景下的測點濃度曲線.可以看出，即使在1 cm×1 cm大口徑泄漏條件下，廚房門0.5 m/s的通風仍足以使室內各區域CH4濃度低于爆炸下限.

在燃氣泄漏事故處理中，當室內燃氣濃度已經很高時，需要迅速關閥并設法降低室內燃氣濃度.情景10、11為CH4泄漏至爆炸上限后，關閉閥門，然后開窗無風與開窗通風兩種情況.圖12為情景10、11中的測點濃度比較.可以看出，通風條件下的CH4濃度下降速度遠高于無通風條件.有通風條件下，關閥400 s后室內CH4濃度幾乎降為0；而無通風條件下，關閥1 000 s后僅下部空間的 CH4濃度降到了爆炸下限.圖13為兩種情景下的爆炸區域體積比較.可以看出：關閥之后，有通風時爆炸區域較小，且持續了400 s即完全消失；無通風時爆炸區域較大，持續了1 400 s后才開始下降.

4 結論

(1)門窗關閉條件下，天然氣濃度上升速率基本與泄漏口面積成正比，爆炸區域體積先增大后減小直至消失.天然氣濃度超過爆炸上限后再開窗會導致天然氣濃度重新回到爆炸極限范圍;

(2)當天然氣泄漏速率較小時，開窗可以使室內爆炸區域體積大大降低.增大窗戶面積可明顯降低室內燃氣濃度;

(3)當天然氣泄漏速率較大時，只開啟窗戶對于降低氣體濃度作用不大.窗戶中部安裝和上部安裝對降低氣體濃度的作用相差不大;

(4)向室外通風對于降低天然氣濃度作用很大.廚房門0.5 m/s的微風基本就能保證高泄漏速率下的室內氣體濃度不超標.當室內氣體濃度很高時通過開窗通風也能迅速降到爆炸范圍以下.因此室內天然氣泄漏后最優的處置方案是關閉室外電閘、關閥、開門窗通風.

致謝:感謝遼寧省科技廳、大連交通大學對本文研究工作的資助與支持.