基于ANSYS模拟研究障碍物对油气扩散的绕流影响分析

刘永松

中国石化江汉油田分公司 清河采油厂 (山东 潍坊 262714）

储油罐一般架设在场区，用于集中油气，当油气管线或储油罐发生小口径的破裂时，就会造成油气扩散，扩散物以烃类为主。由于烃类气体的爆炸极限比较宽，油气的挥发性可形成可燃性气体，具有一定的爆炸范围，当扩散的油气经过场区的居民楼等障碍物时，势必会给居民生命安全带来一定的隐患。输油管线和储油罐可能会由于腐蚀、高温曝晒、盗油和外力作用等造成管线的泄漏[1]。常见的泄漏源有小孔泄漏和大面泄漏2种，一种是由腐蚀穿孔、外力破坏、打孔盗油及管线连接处焊缝的破损等引起的小孔泄漏，泄漏持续时间比较长；另一种是大面积泄漏，较大孔洞在短时间内泄漏出大量的油气[2]。

影响油气扩散的因素很多，由于某一地区常年的气候、地形等条件基本不变，因此可以作为特定条件来研究油气扩散，为场区的安全疏散提供一定的参考价值。笔者根据工作场区的实际情况，重点讨论管线在空气中的小孔泄漏情形。

1 气体扩散理论

气体扩散有分子扩散、动量扩散和漂移扩散3种物理形式。分子扩散是分子自身的热运动，在宏观静止的气体中，分子热运动形式的扩散起主导作用。动量扩散是指一种气体A以一定的速度喷射到另一种气体B之中，通过卷流作用携带气体B，使气体A的浓度逐渐降低。漂移扩散是指一种气体A以低速流入气体B之中，由于湍流作用而发生扩散并随气体B一起运动[3]。

在管线小孔泄漏的气体扩散过程中，以上3种形式都存在。由于场区常年都有不同程度的季风，在这样的特定条件下，分子扩散形式要比后2种扩散弱的多，可以忽略。动量扩散和漂移扩散对气体扩散过程的影响是不一样的，根据泄漏气体流速判断，流速越高则动量扩散影响越大，而流速低漂移扩散影响越大。对于同一股气流，在初始阶段动量扩散趋势较强，随着扩散的发展，便逐渐过渡为漂移扩散。

影响油气扩散的因素有管线内压力、油气密度、温度、浓度、流量、速率等，外部影响因素有风速、风流稳定性、大气温度变化等。由上述因素可知，管线内压力影响油气泄漏速率，速率影响油气扩散流的流型，流量和排气浓度主要影响扩散规模，而且管线内油气的密度、温度与外界大气存在较大的差异，也会有不同的影响。不稳定的风流导致产生较多的涡流，可加速气体的横向扩散。

2 油气扩散模型

油气扩散后的浓度变量Cv是空间坐标(x，y，z)、时间 t、源强 s、气象条件 wa、大气湍流 wt、地表特征G 等各变量的相关函数,即 Cv=f(x，y，z，t，s，wa，G…)，油气组分及其性质、扩散环境条件均会影响油气运移规律及其浓度分布[4-5]。

动量扩散和漂移扩散都属于流体力学理论中湍流场内物质扩散的问题，目前研究湍流场中物质扩散问题，大多采用标准k-ε湍流模型[6]。

标准k-ε湍流模型：

式中 ρ—混合物的密度；

k—组分的体积浓度；

ε—雷诺系数；

ui—（x，y，z）三个方向上的速度；

μt—流体的湍流密度；

g—重力加速度；

t—时间；

二维空间的油气扩散数学模型控制方程如下：

式中 c—扩散气体的浓度；

u、v—x，y 方向上的风速；

Kx、Ky—湍流扩散系数；

s—源强。

连续泄漏情况下可采用烟羽模型来计算危害范围，在二维平面上，危害范围近似扇形区域，扇形的扩散角大约是40°。浓度的计算方法可根据帕斯奎尔-吉福德模型，按下式计算质量浓度[1,7]：

式中 C（x，y，z）—排放污染物质量浓度；

qm—排放物的质量流量；

u—风速；

x—该点在下风向上距泄漏点的距离；

y—该点与通过泄漏点风向轴线在水平面上的垂直距离；

z—该点距地面的距离；

σx，σy，σz—表示在 x，y，z方向的扩散系数。

根据场区的实际情况，结合二维空间的油气扩散的数学模型，运用数值模拟的方法，可以计算出管线气体泄漏情况下，扩散气体在遇到障碍物后发生绕流扩散的分布情况。

3 油气扩散模拟分析

利用ANSYS的FLOTRAN CFD模块来进行扩散分析，建立基本模型。以圆形区域代表障碍物，边界设定：进口速度设定为4m/s，随着扩散进行，油气的扩散速度变慢，两侧边界速度设定为2m/s。假定泄漏油气以球面波的形式，以4m/s速度（考虑到场区风速为2m/s，扩散速度与风度同方向的迭加）向场区接近，模拟障碍物对气体扩散的影响。在速度场内，速度变化可以表示油气扩散的流迹，如图1、2所示。

图1 扩散气体的速度场分布

图2 扩散气体的合速度分布图

由图1扩散气体的速度场可以看出，气体扩散过程中速度逐渐减小，当扩散气体接近障碍物时，速度变化明显。如图2所示，在扩散气体与障碍物接触的前缘面，速度大幅度减小，此处区域速度约为2m/s，并且出现有速度为0m/s的小部分区域；随着扩散过程的继续，扩散气体经过障碍物时，与障碍物接触面积的发生变化，部分扩散气体形成绕流，此时速度增大趋势明显，在障碍物两侧的速度达到最大。约4.5m/s的情况，其周围扩散气体也有速度增大的变化趋势，并且这种速度变化趋势是：随着与障碍物的接触距离越近，速度增大变化越明显；当扩散气体绕流过障碍物时，在障碍物后缘面处速度急剧下降，此区域的速度很小，约有0.5m/s，并在障碍物后方出现了速度为0m/s的小区域。

同时由于扩散气体的速度变化不均，在障碍物后缘面的不远处，出现了卷流区域，速度呈漩涡状变化。并且通过多次模拟发现，卷流区域的大小是根据障碍物后缘处的速度变化梯度而定的，即最大速度和最小速度之间的变化梯度，如图3所示。对于图3（a）初始速度为6m/s时，障碍物两侧的最大速度约为7.6m/s，最小速度约为0m/s，产生的卷流区域比图3（b）初始速度为4m/s时的要小，但是其后面的影响区域要大很多。对于圆形建筑物而言，卷流区域基本呈现对称分布。

图3 不同初始速度情况下的速度场分布

由于气体扩散的速度不同，势必会造成其周围区域的压强不同，在气体扩散过程中，进口的压强要小于出口处的压强。在障碍物的前缘面处压强最大，而在障碍物两侧处压强最小。经分析，由于在障碍物的前缘面处，受到扩散气体的冲击，同时气体沿着障碍物的弧形边缘绕流，速度变慢，部分气体积聚，从而使该处区域压强高于大气压强。在障碍物两侧处，扩散气体速度比较大，根据流体力学可知：速度大的区域其压强小，因此在该区域的压强小于大气压。压强的变化分布不均会造成上述所说的卷流现象，微观上看，扩散气体可视为许多单个的质点，速度场和压强分布可以反映扩散气体的质量浓度变化，速度小、压强高的区域气体质量浓度高，速度大、压强小的区域气体质量浓度比较低。可根据气体扩散速度和压强分布情况，为初步判断油气扩散的浓度范围提供一定的方法和依据。

4 结 论

（1）ANSYS模拟结果发现：在障碍物的前后缘面处，气体扩散的速度较小，在两侧处气体扩散的速度较大，并且速度变化梯度较大，特别是在后缘处由于气体绕流，使得存在两个卷流区，卷流区的大小与多种因素有关，有待进一步分析。

（2）由于障碍物的影响，扩散气体的速度变化不同，导致障碍物周围的压强分布不一样，可根据气体扩散速度和压强分布情况，为初步判断油气扩散的浓度范围提供一定的方法和依据。

[1]董建伟,焦光伟,李永健，等.成品油管线泄漏油气扩散分析[J].后勤工程学院学报,2008,24(3):51-54.

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[5]金颖,周伟国,阮应君.烟气扩散的CFD数值模拟[J].安全与环境学报,2002,2(1):21～23.

[6]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.

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