綜合管廊截面形式對燃氣擴散規律影響研究

夏海林 鄧志輝

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

綜合管廊是集中了電力、通信、燃氣、供熱等工程管線的地下隧道，在現代化城市發展中發揮巨大的作用[1]。其中燃氣艙是專門用于容納天然氣管道的艙室，由于燃氣艙是密閉空間，而燃氣又具有易燃易爆的特點，一旦發生泄漏后果不堪設想[2]，因此關于燃氣艙燃氣泄漏擴散規律的研究至關重要。

近年來，多位學者針對燃氣艙內天然氣泄漏擴散問題進行了大量研究。方自虎[3]對比綜合管廊內燃氣泄漏實驗研究和數值模擬的結果，證明了數值模擬的可靠性；王雪梅等[4-6]建立了二維燃氣艙模型，研究了不同泄漏孔徑、通風條件及泄漏速度對燃氣擴散的影響；Ping Zhang[7]模擬了不同通風速度和通風口尺寸對燃氣擴散的影響，提出了適合燃氣排出的最佳通風風速及通風口尺寸；吳歡[8]研究了在最不利泄漏口條件下的事故通風方案，發現一進一排的通風方式要優于一進兩排的通風方式；上述研究多針對泄漏口邊界條件和通風條件進行研究，而忽略了管廊截面形式對燃氣擴散規律的影響。

本文采用數值模擬的方法建立燃氣艙的三維模型，研究管廊截面形式對燃氣泄漏擴散規律的影響，為綜合管廊燃氣艙室的安全運行提供參考。

1 計算模型及邊界條件

1.1 物理模型

以某地下綜合管廊天然氣艙內一段獨立的防火分區作為研究對象，其縱向長度200m。送、排風口位于燃氣艙兩端，尺寸均為1m×1m。內部容納輸送壓力0.8MPa、管徑400mm 的天然氣管道，簡化的物理模型如圖1 所示。

圖1 天然氣艙室幾何模型Fig.1 Geometry model diagram of natural gascompartments

1.2 數學模型及模型簡化

流體流動遵守三大基本守恒定律：質量、動量和能量守恒定律，天然氣的泄漏擴散還需遵守氣體組分質量守恒定律。

質量守恒定律：

式中：ρ 為密度；t 為時間； ui為流體速度。

動量守恒方程：

式中：P 為壓強；μ 為流體湍流粘度；g 為加速度分量。

能量守恒方程：

式中：k 為流體傳熱系數；T 為絕對溫度；Sr為粘性耗散。

組分輸運方程：

式中： mi為不同組分所占的質量比例； Γi為湍流擴散系數。

本文使用Fluent 建立模型，為簡化計算過程，在滿足工程精度的基礎上對管廊模型進行適當簡化，具體假設如下：

（1）假設泄漏天然氣全部為甲烷，其他成分忽略不計，泄漏氣體為可壓縮性理想氣體，氣體間不發生化學反應。

（2）天然氣泄漏時視為連續的穩態泄漏，泄漏面積不隨時間發生變化。

1.3 模型設定及邊界條件

Fluent 模擬采用耦合式求解器，計算選用湍流模型k-epsilon 模型。燃氣泄漏主要涉及自然腐蝕或焊縫失效等情況下形成的小孔泄漏，孔徑一般小于20mm[9]。選取泄漏口位于管道中間，泄漏方向朝上，孔徑為10mm，定義為質量流量入口邊界，根據小孔泄漏計算模型可以得出泄漏口質量流量為0.109kg/s。空氣入口邊界條件選用速度入口，排風口邊界條件選用速度出口（速度設置為負值）。壁面無滑移，標準壁面函數。

2 工況建立與模擬結果分析

管廊截面形式包括斷面面積和斷面寬高比。本文選取幾種比較典型的截面形式進行研究，如表1所示。其中截面類型1、2、3、4 保持截面寬高比不變，改變截面面積；截面類型2、5、6、7 保持截面面積不變，改變截面寬高比。由于截面形式同時也會影響管廊內的風場，因此本文將研究無通風時和通風時對燃氣擴散規律的影響，通風時進、排風口風速分別設置為0.9m/s、1.8m/s、2.7m/s、3.6m/s、4.5m/s。

表1 管廊截面尺寸參數Table 1 Section size of natural gas compartments

2.1 截面形式對燃氣濃度分布的影響

選擇縱斷面（輸氣管道所在位置）和橫斷面（z=105m、110m、115m），待燃氣泄漏擴散1min后，觀察無風速條件下不同截面尺寸下燃氣濃度分布規律。

從圖2 中可以看出，不同截面形式下縱斷面氣體濃度分布具有相似性。甲烷濃度在泄漏口附近最大，并在艙室兩端呈對稱分布。甲烷從泄漏口高速射出，在泄漏口附近卷吸空氣發生強烈的摻混，并向四周不斷擴散，濃度逐漸減小。由于甲烷的密度小于空氣，在擴散過程中受浮力作用甲烷主要積聚在管廊頂部，使得管廊上方甲烷濃度高于下方。

圖2 燃氣縱斷面濃度分布圖Fig.2 Gas longitudinal section concentration distribution diagram

同時對比截面類型1-4 可以發現，截面面積越大，管廊內空氣含量越高，稀釋了甲烷的濃度，使得甲烷縱斷面整體濃度減小；對比截面類型2、5-7可以發現，截面寬高比增大，泄漏口附近的甲烷濃度增加。這是因為甲烷射流會受到頂板約束作用，形成渦流，而管廊高度減小使較高速且濃度更大的燃氣碰撞壁面，渦流作用增強，使泄漏口附近濃度更高。

從圖3 可以看出，不同截面形式下橫斷面燃氣濃度呈明顯的分層分布現象，且管廊頂部兩側的燃氣濃度要大于中間的燃氣濃度。這是由于兩邊側壁的阻礙作用，燃氣在側壁處積聚，使得濃度較高。

圖3 燃氣濃度橫向分布圖Fig.3 Gas horizontal section concentration distribution diagram

同時對比截面類型1-4 可以發現，隨著截面面積增大，橫截面甲烷濃度減小；對比截面類型2、5-7 可以發現寬高比越大，管廊右頂部分燃氣濃度也就越高，這是因為管廊高度的減少使燃氣能達到的最大濃度增加。

2.2 截面形式對燃氣最大擴散長度的影響

可燃氣體泄漏后與空氣混合會形成容易爆炸的危險區域，天然氣爆炸極限體積分數為5%-15%。在無風速條件下，分析不同截面形式燃氣艙內燃氣達到爆炸極限下限的最大擴散長度隨時間變化的關系。

從圖4 可以看出，燃氣在管艙內的最大擴散長度與時間呈正相關，曲線的斜率可以看作燃氣的擴散速度。對比截面類型1-4 可以發現，當截面面積增加，曲線的斜率逐漸減小，甲烷的擴散速度減小。這是因為截面面積越大，管廊內燃氣濃度梯度越小，向兩端擴散的動力越小。

圖4 不同截面面積下燃氣最大縱向擴散長度隨時間變化圖Fig.4 Relationship between the maximum longitudinal diffusion length of gas and time under different cross section form

同時對比截面類型2、5-7 可以發現，泄漏前期，寬高比小的截面擴散的較遠。這是因為管廊頂部的燃氣擴散的最快，而寬高比小的截面在泄漏口附近頂部燃氣濃度較高，因此擴散速度略快。隨著擴散進行，不同寬高比頂部燃氣濃度逐漸接近，因此擴散距離也相差不大。整體來看，不同寬高比燃氣擴散速度相差不大。可以認為，截面寬高比對燃氣擴散速度影響不大。

2.3 截面形式對管廊燃氣平均濃度的影響

分析無通風和通風時不同截面類型的燃氣艙在燃氣泄漏擴散1min 后的燃氣平均濃度。由于燃氣艙200m 長度內燃氣平均濃度過小，因此選取距離泄漏口前后30m 體積內的燃氣平均濃度變化代替艙室內的燃氣平均濃度變化。

由圖5 可以看出，管廊內的燃氣濃度變化與風速呈負相關關系。這是因為當管廊進行通風時，會帶來外界的新鮮空氣，同時也會將燃氣排出到外界，稀釋管廊中燃氣的濃度。風速越大，帶來的空氣量越多，排出的燃氣越多，管廊內燃氣濃度越低。

圖5 不同截面面積下燃氣平均濃度隨風速變化圖Fig.5 Relationship between average concentration and wind speed under different cross section form

對比截面類型1-4 可以發現，當增加風速時，不同截面面積下燃氣濃度呈現不同程度降低。其中截面面積越小，燃氣濃度下降的越快。根據黎庶[10]的研究，通風時管廊內的風速分為進風段、排風段和中間穩定段。計算進風風速為4.5m/s 時不同截面尺寸下中間穩定段的斷面平均風速如表2 所示。可以看出，同樣的進、排口風速下，截面面積越小，管廊內風速越高，對燃氣稀釋效果越好。即使截面類型4 管廊內燃氣濃度高，但其風速遠高于截面類型1，因此當進口風速為4.5m/s，4 號管廊燃氣濃度甚至略低于1 號管廊。

對比截面類型2、5-7 可以發現，同一風速下，不同寬高比的管廊內燃氣平均濃度值相差不大。從表2 也可以看出，不同寬高比下管廊內通風穩定段斷面平均風速值相近。由此說明，同一風速下對不同截面寬高比的管廊通風稀釋效果相同。

表2 通風穩定段風速Table 2 Wind speed in ventilation stable section

2.4 截面形式對爆炸危險區體積的影響

利用Fluent 后處理軟件可計算出特性參數區間內在流體域所占的體積，因此計算燃氣泄漏1min 后不同截面類型的燃氣艙在不同風速下形成的爆炸極限濃度范圍內的體積如圖6 所示。

圖6 不同截面面積下爆炸區域體積隨風速變化圖Fig.6 Relationship between the volume of explosion area and time under different cross section form

從圖中可以看出，當風速小于2.7m/s 時，截面類型1、2、5-7 管廊內爆炸區域體積變化不大，甚至出現了隨著風速增大爆炸區域也增大的現象。這是因為通風雖然會稀釋管廊內污染物濃度，但當通風的風速過小時，管廊內的絕大部分污染物濃度仍然處在爆炸極限范圍內，而且通風會加速燃氣的擴散導致了爆炸區域體積增加。

對比截面類型1-4 可以發現，風速小于4.5m/s時，同一風速和泄漏量下，截面面積越小，爆炸危險區域越大。結合燃氣艙燃氣平均濃度變化可知，截面面積越小燃氣艙內燃氣濃度越高。因此在同樣的泄漏量下，管廊截面面積越小，稀釋管廊內燃氣濃度所需的通風量越大。

對比2、5-7 可以發現無風速時，截面寬高比越大形成的爆炸區域體積越小。結合橫截面的濃度分布圖可以看出寬高比大的管廊泄漏口附近燃氣濃度較高，部分區域燃氣濃度高于爆炸上限，使得爆炸區域減小。隨著通風風速增加，寬高比大的管廊內那部分高濃度燃氣濃度被稀釋到爆炸極限范圍之內，因此爆炸危險區域體積增加。同時也可以看出，雖然截面寬高比不影響管廊內燃氣平均濃度，但由于管廊截面寬高比越大泄露口附近燃氣濃度越高，而不同寬高比的管廊斷面風速相差不大，因此寬高比大的管廊需要更多的通風量來稀釋燃氣濃度。

3 結論

（1）同一泄漏量下，截面面積主要影響管廊內整體濃度分布，截面面積增大使管廊內燃氣濃度整體減小；截面寬高比主要影響泄漏口附近甲烷濃度與截面的最大濃度，寬高比越大泄漏口附近甲烷濃度越大，且管廊頂部最大濃度增加。

（2）同一泄漏量下，截面面積與甲烷擴散速度呈負相關關系，寬高比對甲烷擴散速度影響不大。

（3）通風能有效稀釋管廊內污染物濃度。同一風速下，截面面積越大，管廊內風速越小，通風稀釋效果越差。截面寬高比對管廊內風速大小影響不大。

（4）當通風量不足以稀釋燃氣濃度到爆炸下限以下時，不但不能減小爆炸區域體積，甚至會加速燃氣擴散，使管廊內更加危險。燃氣艙截面面積越小，寬高比越大，艙室內危險程度越大，通風稀釋所需的通風量越大。