基于CFD模拟的天然气运输过程泄露模拟研究

刘鑫 刘紫微 薛斌（新疆石油工程设计有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

基于CFD模拟的天然气运输过程泄露模拟研究

刘鑫 刘紫微 薛斌（新疆石油工程设计有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

天然气在管道运输的过程中，长周期运行及管道腐蚀等原因会造成天然气泄漏，使得天然气在高压下易燃易爆。本文采用CFD数值模拟方法，模拟天然气管道，获得丰富的流动及浓度场等特性的分布信息，为天然气泄漏的预防和控制提供理论依据。研究结果发现，甲烷泄漏到大气中形成自由射流，甲烷在泄漏孔处出现较大速度，而后由于流域中空气的阻力作用，使得射流作用减弱，流体向四周扩散，流体的速度由中心向四周逐渐减弱。甲烷组分扩散较快，在喷嘴附近易形成较高浓度的甲烷并迅速扩散到流域中。甲烷在水平方向的扩散要小于竖直方向，而且水平方向存在较大的浓度梯度。

CFD;天然气;泄露

众所周知，随着我国能源结构的调整及天然气的应用广泛，天然气管网的覆盖范围越来越大。在天然气的利用过程中最主要的困难为天然气的存储和运输。天然气管道作为运输天然气的经济方案之一，然而在管道运输的过程中，长周期运行及管道腐蚀等原因会造成天然气泄漏，使得天然气在高压下易燃易爆，可能会造成较大的人员伤亡和财产损失。所以研究天然气管道运输泄漏过程是预防和解决泄漏问题的关键所在。随着计算流体力学（Computational fluid dynamics，简称“CFD”）以及计算设备的日益强大，CFD数值模拟方法越来越广泛的用于污染物扩散过程的模拟研究。利用CFD模拟可以在较短的时间内得到丰富的流动及浓度场特性的分布信息，还可以为天然气泄漏的预防和控制提供理论依据。

1 模拟对象及工况设置

首先，利用CAD软件进行天然气泄漏空域进行几何建模，如图1所示。为了让天然气扩散更充分，本文选用了1000 m× 1000 m的空域。泄漏区域在空域的下部中间位置，即天然泄漏点，泄漏点为长度为0.1 m。由于天然气的射流和组分的扩散均发生在泄漏点附近，所以对泄漏点区域的网格进行了优化。在泄漏点附近采用加密网格，而在流域的其他部分采用粗网格，这样处理既保证了流场和浓度场的计算精度的需要，粗细网格的搭配，减少了网格数目，也满足计算速度的要求。其流域的网格划分入图2所示。

图1.天然气泄漏空域

图2.网格划分

2 数学模型

流域流动特性的模拟采用N-S方程描述，其适用于可压缩粘性流体的流动，其运动方程如下：

气体泄漏过程中不仅涉及气体的流动，还涉及组分的扩散和对流。采用气体组分的扩散方程来描述。其中天然气设甲烷为主要组分，泄漏点设为速度入口，质量流率为50 kg/s，地表边界设为无滑移边界，其余三边出口设置为压力出口。天然气和流域的初始化温度均设为300 K。

3 结果分析和讨论

天然气管道产生裂缝，会导致高压天然气气体从裂缝处高速射流进入空域中。图3和图4是天然气泄漏50 s后，气体速度的分布云图和甲烷组分的浓度场分布等高线。由图3可知，甲烷泄漏到大气中形成自由射流，甲烷在泄漏孔处出现较大速度，而后由于流域中空气的阻力作用，使得射流作用减弱，流体向四周扩散。流体的速度由中心向四周逐渐减弱，这是由于空气和甲烷分子之间存在粘附力对天然气的流动造成较强的粘附作用。从图4可以看出，甲烷组分扩散较快，在喷嘴附近易形成较高浓度的甲烷并迅速扩散到流域中。由于气体在水平方向存在较小的速度且受空气粘性力及阻力的影响，甲烷在水平方向的扩散要小于竖直方向，而且水平方向存在较大的浓度梯度。

图3 天然气泄漏过程速度分布

图4 天然气扩散过程甲烷浓度分布

4 结语

通过采用CFD数值模拟方法模拟天然气泄漏过程，研究结果发现，甲烷泄漏到大气中形成自由射流，甲烷在泄漏孔处出现较大速度，而后由于流域中空气的阻力作用，使得射流作用减弱，流体向四周扩散，流体的速度由中心向四周逐渐减弱。甲烷组分扩散较快，在喷嘴附近易形成较高浓度的甲烷并迅速扩散到流域中，且甲烷在水平方向的扩散要小于竖直方向，而且水平方向存在较大的浓度梯度。上述研究可以为天然气泄漏的预防和控制提供理论依据。

刘鑫（1990-），新疆石油工程设计有限公司，男、汉族、新疆维吾尔自治区，工学学士，助理工程师，研究方向：油气长输管道线路、工艺、站场