室內(nèi)燃氣泄漏擴散模擬研究

齊曉琳，李彥爽，劉 慧，倪志國，陳 哲

(1.北京市燃氣集團有限責(zé)任公司，北京 100035; 2.北京市燃氣集團研究院，北京 100011)

1 概述

隨著燃氣大量使用，燃氣事故數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升趨勢，給居民生命安全造成潛在威脅[1- 2]。文獻[3-4]對室內(nèi)燃氣泄漏特點進行了系統(tǒng)研究，對室內(nèi)燃氣泄漏的事故預(yù)防和應(yīng)急處理具有重要意義。王國磊等[5]采用CFD技術(shù)研究了泄漏燃氣在房間內(nèi)的擴散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在房間無通風(fēng)情況下，由于密度低于空氣，燃氣會在房間頂部聚積，形成具有爆炸可能的危險區(qū)域，并隨著泄漏時間的增加，逐漸向房間下方移動。薛海強[6]對室內(nèi)燃氣泄漏擴散進行了數(shù)值模擬，研究了燃氣種類、泄漏口位置、泄漏口徑和泄漏壓力等影響因素對室內(nèi)燃氣泄漏擴散過程的影響。張麗[7]運用CFD數(shù)值模擬軟件對燃氣在不同影響因素下泄漏擴散過程進行數(shù)值模擬，得到可燃氣體濃度場的時空分布圖，研究分析了室內(nèi)燃氣泄漏擴散的規(guī)律及可燃性氣體爆炸危險區(qū)域的遷移規(guī)律。研究燃氣泄漏擴散規(guī)律是研究爆炸的先決條件。

2 燃氣泄漏質(zhì)量流量計算

燃氣泄漏質(zhì)量流量與流動狀態(tài)有關(guān)[8]。

當滿足式(1)時，燃氣為亞聲速流動，燃氣泄漏質(zhì)量流量按式(2)計算[9]。

(1)

(2)

式中p0—— 環(huán)境絕對壓力，Pa

p—— 管道內(nèi)燃氣絕對壓力，Pa

κ—— 等熵指數(shù)，對于燃氣，κ=1.3

qm——燃氣泄漏質(zhì)量流量，kg/s

Cdg——燃氣泄漏系數(shù)，與泄漏口形狀有關(guān)，此處取1.0

A——泄漏口面積，m2

M——燃氣摩爾質(zhì)量，kg/mol

R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)

T——燃氣溫度，K

當滿足式(3)時，燃氣為聲速流動，燃氣泄漏質(zhì)量流量按式(4)計算[9]。

(3)

(4)

3 幾何模型

某1室1廳1廚1衛(wèi)住宅建筑面積為52 m2，外墻厚24 cm，內(nèi)墻厚18 cm，利用FLACS子模塊前處理器CASD的geomety板塊構(gòu)建三維幾何模型，幾何模型平面圖見圖1。圖1中z軸垂直紙面向上，線段為各墻體中心線，未體現(xiàn)墻壁厚度。圖1中各點x、y坐標見表1。地面z坐標為7.50 m，房間高3 m。廚房門高1.9 m，窗戶高2 m，窗臺距地面0.5 m。假定發(fā)生燃氣泄漏時，窗戶與入戶門處于關(guān)閉狀態(tài)，廚房門處于敞開狀態(tài)，泄漏口中心坐標為(31.50，39.40，8.35)。

模型整體采用非均勻網(wǎng)格劃分，泄漏口屬于重點觀察范圍，進行了網(wǎng)格加密劃分。

圖1 幾何模型平面圖

表1 模型各點x、y坐標

續(xù)表1

4 室內(nèi)燃氣泄漏過程模擬及分析

4.1 泄漏場景模型參數(shù)設(shè)置

采用FLACS軟件進行模擬。整套房間處于密閉狀態(tài)。泄漏口為圓形，直徑為20 mm，燃氣壓力為2 kPa[6]。利用公式(2)計算得燃氣泄漏質(zhì)量流量為0.016 kg/s。燃氣溫度20 ℃，泄漏過程持續(xù)200 s，泄漏口湍流強度為0.04，湍流長度尺度為0.000 5 m。分別對不同泄漏方向(y方向和z方向)的燃氣泄漏擴散過程進行模擬，在CASD場景設(shè)置中，將y正方向的泄漏場景命名為場景1，將z正方向的泄漏場景命名為場景2。設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，大氣壓力為0.1 MPa，大氣穩(wěn)定度0，地面粗糙度0。燃氣組成設(shè)置為純甲烷。

本文圖2～4、6～8色標均為燃氣體積分數(shù)。

4.2 場景1模擬結(jié)果分析

場景1泄漏方向指向廚房門。場景1燃氣泄漏20 s、100 s、200 s后的可爆炸氣云分別見圖2～4。

由圖2可知，燃氣泄漏20 s后，具有爆炸可能性的危險區(qū)域較小，僅局限在廚房內(nèi)部，近泄漏口位置燃氣體積分數(shù)最大。從圖2b可以看出，氣云前端向上傾斜，這是因為燃氣密度小于空氣，受浮力作用。

圖2 場景1燃氣泄漏20 s后的可爆炸氣云(軟件截圖)

由圖3可知，當泄漏100 s后，具有爆炸可能性的危險區(qū)域進一步增大，延伸至客廳。氣云中心高燃氣體積分數(shù)區(qū)域呈現(xiàn)出增大的趨勢，由于室內(nèi)為密閉空間，因此不受風(fēng)場影響，氣云整體擴散趨勢與泄漏20 s時一致。

圖3 場景1燃氣泄漏100 s后可爆炸氣云(軟件截圖)

當燃氣泄漏200 s后，從圖4a可知，可爆炸氣云已經(jīng)擴散到了客廳中間區(qū)域，燃氣體積分數(shù)呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，房間內(nèi)危險區(qū)域增加，爆炸概率進一步增大。從圖4b可以看出，可爆炸氣云已經(jīng)擴散至入戶墻(入戶門所在墻)，通常情況下，入戶墻上有入戶燈開關(guān)，一旦有人進屋開燈，極易產(chǎn)生電火花，爆炸風(fēng)險很大。

圖4 場景1燃氣泄漏200 s后可爆炸氣云(軟件截圖)

圖5為場景1客廳內(nèi)6個不同高度觀測點燃氣體積分數(shù)隨泄漏時間的變化曲線，6個觀測點x、y坐標相同，x=31.50 m，y=41.90 m，高度分別為距地面0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m。由圖5可以看出，隨著泄漏時間增加，各觀測點燃氣體積分數(shù)隨泄漏時間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。距地面0.5 m觀測點燃氣體積分數(shù)最小，泄漏200 s后仍遠低于爆炸下限。距地面0.5 m 、1.0 m、1.5 m觀測點燃氣體積分數(shù)雖有增加趨勢，但泄漏200 s后仍未達到爆炸下限。距地面2.0 m、2.5 m觀測點分別在泄漏180 s、130 s時達到爆炸下限。距地面3 m觀測點燃氣體積分數(shù)最大，泄漏80 s時達到爆炸下限。

圖5 場景1客廳內(nèi)6個不同高度觀測點燃氣體積分數(shù)隨泄漏時間的變化曲線

4.3 場景2模擬結(jié)果分析

場景2燃氣泄漏20 s、100 s、200 s后的可爆炸氣云分別見圖6～8。由圖6a可知，燃氣泄漏20 s后，可爆炸氣云區(qū)域較小。由圖6b可知，可爆炸氣云尖端向墻發(fā)生了傾斜。泄漏場景設(shè)置為無風(fēng)條件，因此推測傾斜原因是伯努利原理導(dǎo)致。即燃氣泄漏后，由于泄漏口面積較小，泄漏壓力較大，燃氣呈噴射狀泄漏，導(dǎo)致泄漏速度較大，使周圍流場發(fā)生變化，由于泄漏口距墻較近，與墻之間的壓力減小，致使燃氣泄漏擴散氣云發(fā)生傾斜。

從圖7a可知，由于泄漏口距離廚房屋頂僅約2 m，泄漏100 s后可爆炸氣云已經(jīng)到達廚房屋頂，泄漏燃氣向屋頂擴散并聚積。由圖7b可以觀察到，可爆炸氣云沒有沿著噴射方向垂直擴散，而是在伯努利原理作用下，向相鄰墻壁傾斜，并沿著墻壁擴散。

圖6 場景2燃氣泄漏20 s后可爆炸氣云(軟件截圖)

圖7 場景2燃氣泄漏100 s后可爆炸氣云(軟件截圖)

圖8 場景2燃氣泄漏200 s后可爆炸氣云(軟件截圖)

由圖8可知，當燃氣泄漏200 s后，廚房屋頂已經(jīng)聚積了一定量的燃氣。由于具有一定速度，泄漏燃氣在接觸屋頂時，受屋頂阻擋向下擴散。由圖8b可以觀察到，燃氣泄漏200 s后，燃氣已經(jīng)沿著廚房屋頂擴散至客廳，并向入戶墻方向擴散。

圖9為場景2客廳內(nèi)6個不同高度觀測點燃氣體積分數(shù)隨泄漏時間的變化曲線，6個觀測點同場景1。隨著泄漏時間增加，不同高度下燃氣體積分數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。由于該場景泄漏方向為豎直向上，燃氣泄漏后先在廚房屋頂聚積，然后才沿著屋頂擴散至客廳，導(dǎo)致客廳內(nèi)觀測點處的體積分數(shù)均較小，只有靠近屋頂?shù)挠^測點在泄漏較長時間后達到爆炸下限。

圖9 場景2客廳內(nèi)6個不同高度觀測點燃氣體積分數(shù)隨泄漏時間的變化曲線

5 結(jié)論

① 當室內(nèi)燃氣泄漏時，靠近泄漏口位置燃氣體積分數(shù)最大。隨著泄漏時間持續(xù)，燃氣在房間內(nèi)呈現(xiàn)非均勻分布狀態(tài)。受浮力影響，泄漏燃氣向屋頂擴散并聚積，因房間處于密閉狀態(tài)，燃氣體積分數(shù)處于爆炸范圍的危險區(qū)域較大。

② 泄漏方向?qū)杀庠品植计痍P(guān)鍵作用。當泄漏方向為豎直向上時，泄漏燃氣會先在廚房內(nèi)聚積。當泄漏方向為水平指向廚房門時，可爆炸氣云會穿過廚房門擴散至入戶墻。入戶墻上往往設(shè)有入戶燈開關(guān)，一旦有人進屋開燈，極易產(chǎn)生電火花，爆炸風(fēng)險很大。