成品油在大气中扩散的数值模拟分析

解宁 罗鑫楷　梁永图　薛文第　何国玺　（中国石油大学（北京））



成品油在大气中扩散的数值模拟分析

解宁 罗鑫楷梁永图薛文第何国玺（中国石油大学（北京））

埋地成品油管道泄漏后，成品油如果渗出地面或聚集到地面低洼处，在成品油强挥发性下会迅速产生大量的油蒸汽，油蒸汽又会在风速作用下快速向四周蔓延，无论发生燃烧还是爆炸都会给管道运营企业、沿线居民带来巨大的生命和财产损失。通过建立输油管道泄漏扩散过程的物理模型，利用COMSOL软件进行二维数值模拟，分析成品油在大气中泄漏不同时间内最大横向扩散宽度、最大纵向扩散深度的变化规律，有助于分析事故后果影响范围，提高事故的应急控制能力。

成品油管道；泄漏；扩散

1　概述

近年来，随着我国成品油管道的建设与发展，面临的安全形势越来越严峻。管道在地面敷设时，管道泄漏后油品将挥发，当泄漏量超过油品的闪蒸速度时，泄漏出来的油品会在一定区域内蔓延成一个污染区［1］，容易造成火灾、爆炸等事故，给国民经济和生产企业造成巨大的损失，并严重影响石油和天然气生产企业的社会形象。因此，管输事故条件下汽油泄漏扩散的规律研究对于事故应急抢险方案制定、工艺实施、安全性控制等具有重要意义［2］。

成品油蒸汽的扩散是一个随时间、空间变化的动态过程，符合大气扩散的基本规律。通过利用COMSOL软件进行模拟分析，研究成品油（汽油）及其蒸汽在大气中的扩散规律。做以下简化：所有流体遵循连续介质假设，流体不可压缩，且密度保持不变；渗流中考虑气、液（油）两相，且每一相的渗流均遵守达西定律；油品从泄漏孔喷出为自由射流。

用COMSOL软件建立反映输油管道实际尺寸的几何模型，成品油管道的公称直径0.4 m，管内压力20 MPa、流速10 m/s，在管道下部取漏孔，建立输油管道小孔泄漏扩散的二维模型。

2　模型建立

COMSOL是一款大型的高级数值仿真软件，以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真。COMSOL中定义模型非常灵活，材料属性、源项、边界条件等可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、实测数据的差值函数等。在建立模型时

3　成品油在大气中的扩散规律

模型搭建后，分析在不同风速、泄口喷出速度和泄漏口孔径情况下，成品油及其蒸汽在大气中的扩散规律。

3.1风速

在泄口流速为5 m/s的情况下，设置三种不同风速，得到泄漏发生后0 s、0.4 s、1 s、3 s的扩散半径和最后稳定喷射高度（图1、图2）。

图1　不同风速条件下泄漏发生t=0s、0.4s、1s、3s时的成品油扩散半径

图2　不同风速条件下泄漏发生t=0s、10s时的成品油最大扩散高度

图5　不同泄漏口孔径条件下泄漏发生t=0.4s、1s、3s时的成品油扩散半径

从图1、图2可以看出，风速对于最大喷出高度几乎没有影响；风速对扩散半径有影响，风速越大，扩散半径越大。通过SPSS软件的数据分析功能对最大扩散半径进行回归分析。在扩散时间相同的情况下，风速越大，顺风方向的最大扩散半径越大，且最大扩散半径和风速成二次关系。

3.2泄口油品喷出速度

在无风条件下，设置3种喷出速度，得到泄漏发生后0.4 s、1 s、3 s的扩散半径和最后稳定喷射高度（图3、图4）。

图3　不同喷出速度条件下泄漏发生t=0.4s、1s、3s时的成品油扩散半径

图4　不同喷出速度条件下泄漏发生t=0s、10s时的成品油最大扩散高度

从图3、图4可以看出，泄口喷出速度对于最大喷出高度和最大扩散半径几乎没有影响。泄口喷出速度对于最大喷出高度没有影响这一点与常识不符，大的喷出速度使油品具有更大的初速度，理论上可以达到更大的高度。但是涉及到的最大高度是成品油蒸汽扩散可达到的最高高度，虽然在不同喷出速度条件下，成品油液体可以喷射达到不同的高度，但是成品油蒸汽能扩散到的最大高度基本不变。

图6　不同泄漏口孔径条件下泄漏发生t=0s、10s时的成品油最大扩散高度

3.3泄漏口孔径

在无风、喷出速度为5 m/s条件下，设置3种泄漏口孔径，得到泄漏发生后0.4 s、1 s、3 s的扩散半径和最后稳定喷射高度（图5、图6）。

从图5、图6可以看出，泄口孔径对于最大喷出高度几乎没有影响，对最大扩散半径在较短喷射时间内几乎没有影响，随着时间的推移，泄漏口孔径越大，最大扩散半径越大。

4　结论

成品油在大气中的扩散，风速对于最大喷出高度几乎没有影响，对扩散半径有影响。通过模拟出下风向的扩散半径，可以缩短泄漏后果评估的时间，提高事故后果评估精度。泄口喷出速度对于最大喷出高度和最大扩散半径几乎没有影响。泄口孔径对于最大喷出高度几乎没有影响，对最大扩散半径在较短喷射时间内几乎没有影响，随着时间的推移，泄漏口孔径越大，最大扩散半径越大。

［1］周晓莹，焦光伟，陈思维.汽油输送管道泄漏蒸发扩散规律研究［J］.中国储运，2011，10（2）：122-124.

［2］郑津洋.长输管道安全风险安全辨识、控制、评价［M］.北京：化学工业出版社，2004：125-126.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.019

2016-06-21

（编辑沙力妮）

解宁，中国石油大学（北京），2014级在校学生，E-mail：pku123@yeah.net，地址：北京市昌平区中国石油大学（北京）机械与储运学院，102249。