居民用戶天然氣泄漏三維數值模擬分析

1 概述

隨著我國的生態文明建設，天然氣作為一種清潔能源，普及率越來越高。但隨之也帶來很多安全問題。據博燃網平臺統計，2020年發生燃氣安全事故539起，接近100人死亡。其中，居民用戶發生的燃氣事故有336起，占比高達63%，大多與燃氣泄漏有關。

堤壩劈裂灌漿技術是在總結了傳統的堤壩灌漿技術的經驗教訓，分析了堤壩裂縫的成因以及泥漿劈裂堤壩規律的基礎上提出來的。劈裂灌漿技術不論在施工工藝還是在理論研究方面取得了不少進展。但是，山于該項技術的特殊性及加固對象的多樣性，所以還有很多理論方面的問題沒有解決。

為預測居民用戶天然氣泄漏危害范圍和指導安全預防工作，學者們對泄漏擴散問題進行了很多研究，但集中在泄漏開口條件

、泄漏源高度

、門的開度

、建筑布局

、外部環境因素

、二維泄漏分析

等，針對開窗條件對居民用戶天然氣泄漏擴散危害影響的量化研究較少。

為分析開關窗對居民用戶天然氣泄漏擴散危害的影響作用，本文對開關窗條件下居民用戶天然氣的泄漏擴散情況進行模擬研究。

2000年，世紀之交這個秋冬季節，我在參加單位組織的一次支農采拾棉花回家途中，所乘坐拉運棉包的車輛由于側翻沖進路邊的排渠，在那次事故中，愛人永遠地離開了我，而我也造成了胯關節骨折，尾骨骨折。期間，我在醫院平躺了一個月方才出院，又在家休養了近10個月才上班，后來我在單位成為了一名門衛。那年，女兒年僅十歲。

2 數值模型的建立

2.1 模型假設

采用CFD軟件進行計算，基于有限體積法求解可壓縮流場的N-S方程。湍流方程采用標準

-

模型，求解計算方法采用SIMPLE算法。流體運動的質量守恒、動量守恒及能量守恒方程見文獻[11]，物質傳輸擴散守恒方程中的組分運移方程見文獻[12]。

2.2 物理模型

根據某居民用戶的廚房，建立如圖1的物理模型。廚房長×寬×高為3.0 m×1.8 m×3.0 m，灶臺長×寬×高為2.5 m×0.6 m×0.8 m，窗戶寬(

方向)×高(

方向)為0.8 m×1.2 m，窗臺高0.9 m，窗臺兩端點坐標分別為(0,0.5,0.9)和(0，1.3，0.9)。認為門是常閉的，因此模型中沒有畫出。本文所有坐標單位均為m。方形泄漏孔中心坐標(1.50，0.35，0.82)，邊長為1 cm。體積分數監測點共10個，其中

坐標為1 m的監測點分別為P1(1.0，0.6，1.0)、P2(2.0，0.6，1.0)、P3(1.0，1.2，1.0)、P4(2.0，1.2，1.0)；

坐標為2 m的監測點分別為P5(1.0，1.2，2.0)、P6(2.0，1.2，2.0)、P7(1.0，0.6，2.0)、P8(2.0，0.6，2.0)；監測點P9(1.90，1.75，1.40)為燈具開關位置，P10(0.5，1.5，0.5)為其他電器可能引爆泄漏混合氣的監測點。

當窗戶關閉時，各監測點體積分數隨泄漏時間(記為

)變化曲線見圖4，泄漏速度隨泄漏時間變化曲線見圖5，三維和二維體積分數云圖見圖6～8。由圖4可知，泄漏72 s后，各監測點最大體積分數范圍約為0.2%～2.3%，其中P5處的體積分數最大；高位監測點處的體積分數一般更高，且甲烷泄漏擴散的體積分數與泄漏時間無明顯相關關系；由于處于最低位置，P10處體積分數很小，難以達到甲烷爆炸下限；而P5～P8處于高位，最大體積分數均達到2.0%，有一定爆炸風險。由圖5可知，泄漏速度隨泄漏時間基本呈線性減小趨勢，約在泄漏60 s后逐漸減至0，即不再泄漏；依據計算結果，60 s后的廚房壓力基本穩定在2 kPa，與泄漏壓力相等，達到壓力平衡狀態。由圖6～8可知，由于泄漏為豎直向上噴射，泄漏孔上方體積分數云圖呈現噴射的放射狀，且泄漏孔附近初始體積分數較高。由于同工況下甲烷密度比空氣小，泄漏時甲烷會先在屋頂聚積，而后逐漸向下擴散。由圖7、8可知，

=1.5 m以上區域體積分數較高，集中在1.5%～2.0%范圍，泄漏72 s時呈分層分布的趨勢。

2.3 數學模型以及方程求解

為簡化計算模型，作如下假設：模型中的門窗關閉狀態為完全封閉狀態，不涉及縫隙、孔隙等；廚房內部只存在灶臺，不考慮其他廚房設施；不考慮泄漏孔形狀的影響。

2.4 泄漏場景參數設置

感染發生率與患者年齡，吸煙史，基礎營養狀況，是否使用糖皮質激素，是否合并糖尿病及有無侵襲性操作，臨床分期，放療化療，手術，住院時間等因素有關，差異具有統計學意義(P<0.05)，發生院內感染與患者性別，腫瘤病理分型無關(P>0.05)。見表2。

廚房窗戶考慮了打開和關閉兩種狀態。甲烷爆炸極限為5%～15%，但為了突出體積分數梯度變化，本文云圖取體積分數范圍0.5%～25.0%進行分析。模擬得到初始泄漏速度為8.4 m/s。本文只研究了甲烷體積分數，將其簡稱為體積分數。

根據GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》 (2020年版)第10.2.2條，居民用戶灶臺處的天然氣壓力不超過2 kPa。基于安全后果最大化分析原則，取天然氣泄漏壓力為2 kPa進行計算。

3 模擬結果與分析

第三，進一步重視“五位一體”總布局與“五個世界”總路徑的關系研究。與國際上構建“五個世界”這個總路徑相對應的，是國內“五位一體”建設的總布局。應當看到，推動構建人類命運共同體作為中國特色大國外交的重要內容，其指向不僅是增進人類福祉，也是指向民族復興和人民幸福。研究“五個世界”與“五位一體”的關系，是更好地統籌國際與國內兩個大局的要求以及更好地適應全面深化改革和全面對外開放的要求，為構建人類命運共同體尋找切實可行的途徑。而且，將中國發展與世界發展緊密結合起來，也是體現中國自信、中國智慧的表現。

重力加速度取9.8 m/s

，環境溫度為293.15 K，大氣壓力為101.325 kPa。將天然氣視為純甲烷，其溫度為293.15 K。泄漏方向為垂直臺面向上。將廚房內空氣及泄漏的天然氣設為理想氣體。墻面設置為壁面邊界。開窗時，窗戶設置為壓力出口；關窗時，窗戶設置為壁面邊界。

當窗戶打開時，各監測點體積分數隨泄漏時間變化曲線見圖9，三維和二維體積分數云圖見圖10～12。由圖9、10可知，窗戶打開時，由于初始泄漏速度達8.4 m/s，甲烷泄漏后迅速在屋頂聚積，廚房空間體積分數增長較快，隨著甲烷擴散至窗戶附近，從窗戶逃逸，體積分數逐漸減小，并趨于穩定；泄漏12～13 min后，各監測點體積分數達到峰值；P5～P8位置高，體積分數逐漸穩定在14%左右，處于爆炸極限范圍；P1～P4及P9體積分數集中在5%～14%區間內振蕩，也處于爆炸極限范圍；P10體積分數逐漸穩定在3%～5%，具有較大爆炸風險。由圖11、12可知，

=1.5 m和

=0.35 m平面上的體積分數分布在泄漏7.5 min和15 min時變化明顯，在此時間段內甲烷在廚房屋頂迅速聚積；在泄漏22.5 min后高度2 m之上的體積分數變化較小，基本處于穩定狀態。

對模型進行網格劃分，并將泄漏孔附近區域采用了局部加密操作，網格數量達107 584個。模型網格劃分與泄漏孔加密網格劃分分別見圖2、3。

② 窗戶打開時

規制合法性是指滿足制度的規制性約束，規制性過程包括規則設定、監督和獎懲活動。規則設定和政府認可的社會組織身份可以使社會組織具有在社區治理中采取行動、享有權利和獲得收益等能力。在獲取了組織的規范合法性和認知合法性之后，取得社會組織身份以增強規制合法性成為LL的主要合法化任務。

① 窗戶關閉時

③ 對比分析

窗戶關閉時，甲烷泄漏擴散后的體積分數比窗戶打開時低，因為隨著密閉空間內甲烷增加，空間壓力迅速增加到2 kPa，與泄漏壓力平衡，之后泄漏停止，甲烷泄漏量小，監測點體積分數不超過2.3%；窗戶打開時，甲烷不斷從窗戶擴散出去，甲烷的泄漏與擴散會達到平衡，但泄漏時間遠長于窗戶關閉時的泄漏時間，大部分監測點體積分數可能處于爆炸極限范圍內，爆炸風險大。整體來看，在本文計算條件下，窗戶關閉比窗戶打開條件下天然氣泄漏導致的爆炸風險更小。

4 結論

① 窗戶關閉時，由于廚房空間完全封閉，隨著天然氣泄漏，廚房空間壓力會迅速增大至泄漏壓力，達到壓力平衡。平衡后的天然氣體積分數最大值約為2.3%，達不到爆炸極限。

② 窗戶打開時，由于初始泄漏速度達8.4 m/s，天然氣泄漏后迅速在屋頂聚積，廚房空間天然氣體積分數增長較快，隨著天然氣從窗戶逃逸，天然氣體積分數逐漸減小，并趨于穩定。部分高位監測點天然氣體積分數可達14%左右，處于爆炸極限范圍。

③ 在所研究的計算條件下，窗戶關閉即廚房空間完全封閉比窗戶打開條件下天然氣泄漏導致的爆炸風險更小。

[1] 石劍云,潘科. 開窗條件對室內天然氣擴散影響的模擬研究[J]. 大連交通大學學報, 2020(6): 86-90, 111.

[2] 許曉元,朱紅亞,李晶晶,等. 不同影響因素條件下室內天然氣擴散[J]. 消防科學與技術,2019(1): 74-77.

[3] 王鵬. 戶內燃氣泄漏的擴散模擬研究及危險效應分析(碩士學位論文)[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學,2012:33-35.

[4] 黃小美,郭楊華,彭世尼,等. 室內天然氣泄漏擴散數值模擬及試驗驗證[J]. 中國安全科學學報,2012(4): 27-31.

[5] 王云卿. 室內燃氣泄漏的危險效應分析(碩士學位論文)[D]. 北京: 北京建筑大學, 2018: 33-34.

[6] LIU A H, HUANG J, LI Z W, et al. Numerical simulation and experiment on the law of urban natural gas leakage and diffusion for different building layouts[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2018,54: 1-10.

[7] 張增剛,商銘恒,陳云麗. 開放式廚房與閉式廚房燃氣泄漏模擬對比研究[J]. 山東建筑大學學報,2021(3): 25-31.

[8] 朱靜,綦遠磊,辛培剛,等. 多因素下居民室內天然氣泄漏擴散數值模擬[J]. 消防科學與技術, 2021(7): 1013-1016.

[9] 張琪. 廚房內不同通風條件下的燃氣泄漏數值模擬分析[C]// 中國土木工程學會燃氣分會. 2017中國燃氣運營與安全研討會論文集. 天津：《煤氣與熱力》雜志社有限公司, 2017: 452-458.

[10] 王曉華. 室內燃氣泄漏擴散模擬分析[J]. 科學技術與工程,2012(32): 8785-8787.

[11] 古蕾. 民用建筑室內燃氣泄漏的數值模擬研究(碩士學位論文)[D]. 成都:西南石油大學, 2014: 7-8.

[12] 朱紅鈞. FLUENT 15.0流場分析實戰指南[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2015: 107-112.