考虑障碍物分布和风速影响的天然气泄漏扩散研究

孙振国 邵春雷

(1. 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院；2. 南京工业大学机械与动力工程学院)

考虑障碍物分布和风速影响的天然气泄漏扩散研究

孙振国1邵春雷2

(1. 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院；2. 南京工业大学机械与动力工程学院)

采用FLUENT软件对不同风速和障碍物分布下的天然气泄漏扩散进行了数值模拟。得到了甲烷在不同障碍物分布、风速影响下的扩散规律和甲烷的浓度分布规律，为有效预测天然气泄漏扩散的影响范围提供了依据。结果表明，在泄漏孔附近浓度和速度都很大，风速越大，天然气往下风方向输送的作用越明显；天然气的泄漏速度对扩散有明显的影响，速度越大扩散的高度越高；受障碍物高度的影响，扩散主要表现为天然气沿着障碍物壁面扩散和天然气发生偏转；受障碍物到泄漏孔距离的影响，天然气扩散主要表现为迎风面对天然气的阻挡作用。

管道泄漏 天然气 泄漏扩散 障碍物 风速 数值模拟

天然气为人类的生产、生活提供了方便，但同时也带来了重大的安全问题[1]，国内外已有许多关于天然气泄漏造成惨重损失的报道。为了有效防止事故的发生并积极采取相应的安全措施，广大科研和技术人员已开展了大量的研究工作[2～4]，天然气在大气中的扩散研究就是其中重要的方面[5～8]。

影响天然气扩散的因素很多，主要包括：障碍物分布、风速和气体泄漏速度。目前，关于天然气扩散的研究主要在平坦地形上进行[9,10]，很少考虑障碍物对危险气体扩散规律的影响。地面障碍物的存在使得流场结构发生了很大的变化，从而影响天然气的扩散。大多数文献中均提到危险性气体的泄漏扩散受泄漏速度、泄漏源位置、泄漏方向及气象条件等因素的影响[11～13]，但很少涉及以上因素对危险性气体扩散浓度场和危险性区域进行具体的研究。

笔者采用计算流体动力学的方法，对不同障碍物分布、风速和泄漏速度情况下天然气的扩散规律进行研究，为有效预测气体泄漏危险范围、制定相应的应急预案提供依据。

1 天然气泄漏扩散的数值计算方法

1.1 基本控制方程

天然气的泄漏扩散是一个十分复杂的过程，为了研究管道泄漏后甲烷的浓度分布，做如下假设：天然气为单一性的理想气体，泄漏过程中不发生相变；忽略因高度产生的温度和压强的变化对泄漏的影响；泄漏过程中，摩阻减速的作用不大。控制方程主要包括：连续性方程、动量方程和能量方程[14]。

1.2 几何模型及网格划分

模拟结果的准确性很大程度上受模拟范围和网格精度的影响。笔者模拟天然气泄漏的整个过程，即天然气从泄漏孔开始泄漏直到在空间“均匀分布”的整个过程。由于天然气连续不断地泄漏到空气中，所谓的“均匀分布”只是一种近似。显然，模拟的范围越大，与实际情况越接近。

考虑到需要模拟的范围相对较大，若采用三维模型所需的计算机资源较大、计算时间较长，故笔者采用二维模型进行模拟，该二维模型包含泄漏区域和扩散区域，区域的范围为100m×100m，漏孔的直径为0.1m，漏孔中心处于地面中心位置。

根据天然气泄漏扩散计算区域的特点，几何模型主要考虑障碍物和泄漏位置，风速的影响在施加边界条件时进行考虑。抽象成几何模型的方案见表1，代表性几何模型如图1所示。

表1 模拟区域的方案

图1 模拟区域几何模型

考虑到计算区域的特点，采用GAMBIT软件提供的非结构化和结构化相结合的混合网格技术，对模型区域进行网格划分。

1.3 算法及湍流模型的选择

笔者选用FLUNET软件提供的k-ε模型进行模拟。该软件可以通过求解描述每种物质组分的守恒方程来模拟混合和输运，包括有反应或无反应的情况。考虑到模拟的只是天然气的扩散过程，故无反应多组分输运模型适合用于求解本问题。

1.4 边界条件

模型中的入口主要有泄漏天然气的漏孔(图1下端面中心)和风速的入口(图1左端面)，这里选择速度入口作为边界条件，气体速度均垂直于入口表面。由不同风速和天然气泄漏速度构成的入口速度方案见表2。无风条件下，选取图1中左端面、上端面、右端面为压力出口条件。有风条件下，左端面的边界条件由压力出口变成速度入口，上端面和右端面仍为压力出口条件。选择wall作为壁面边界条件。

表2 入口速度方案 m/s

2 模拟结果分析

2.1 自然喷射扩散

分析在没有障碍物影响情况下的天然气喷射扩散情况。

2.1.1 自然喷射时速度、浓度分布

当泄漏出口喷射速度为340m/s时，模拟所得平坦地区泄漏和喷射扩散情况下的速度和浓度分布如图2所示。

图2 泄漏速度为340m/s时的速度和浓度分布

由浓度分布图2a、c和速度分布图2b、d可见，天然气以射流的形式很快泄漏到空气中，在泄漏孔附近，甲烷的浓度和速度均较高，其扩散现象并不明显。由于天然气与空气之间密度存在差异，天然气很快扩散开来，它的分布范围也逐渐扩大，天然气的流速和浓度很快降低下来。在垂直高度10m的地方，天然气的速度和浓度已经降低为出口时的20%左右，产生这种现象的原因为：在天然气与空气发生对流的过程中，天然气受到较大的空气阻力的作用。由浓度分布图2a可见，天然气不仅发生喷射而且存在膨胀扩散，当喷射速度较小的情况下，膨胀效应表现得更为明显。在泄漏孔口附近的中心区域基本上是纯的天然气，但在离射流边界较远的区域基本上为纯的空气，两者之间是天然气和空气混合物。

2.1.2 不同风速下扩散

图3为在不同风速下天然气泄漏速度为340m/s时的扩散情况。风从左向右吹，由图可见，泄漏气体扩散的方向主要受风向的影响，在下风方向分布着大量泄漏的气体。扩散稀释作用的强弱主要受风速的影响，风速越大，射流偏离竖直方向角度越大。在泄漏口附近，由于速度很大，风速对该区域的影响较小，在距离泄漏孔越远的位置，风速的影响就越大。在整个喷射扩散过程中，由于风的影响，使得空气和天然气之间的传热和传质变得更加剧烈，在主风方向上主要表现为平流输送作用(即天然气向下风方向运动)，风速越大，平流输送作用越强烈。限于篇幅，仅分析泄漏速度为340m/s时的扩散规律，其他泄漏速度时在不同风速下的扩散规律与此类似。

图3 无障碍物时不同风速下天然气浓度分布

2.1.3 不同泄漏速度下扩散

图4为风速6m/s时不同天然气泄漏速度下的扩散情况。由图可见，出口速度越大，喷射距离越远。在风速相同的情况下，出口速度越大，天然气在风速方向上发生的偏移量越小。当泄漏速度较小时，天然气在重力和风速的作用下几乎贴着地面沿下风方向扩散，当泄漏速度较大时，由于泄漏天然气的惯性，大部分气体冲向高空，在高空中随风飘向下游，地面上的天然气浓度反而相对较低。由于人类活动大多集中在地面，点火源一般也在地面附近，所以说，低速喷射情况下的扩散不见得比高速喷射情况下安全，有时可能导致燃烧、爆炸的概率更大。限于篇幅，仅分析风速为6m/s时的扩散规律，其他风速下的扩散规律与此类似。

图4 无障碍物时不同泄漏速度下天然气浓度分布

2.2 有障碍物喷射扩散

2.2.1 不同风速下扩散

图5为有障碍物情况下泄漏速度为340m/s时不同风速下天然气浓度分布。由图可见，天然气从泄漏孔喷出后，在泄漏孔与障碍物之间天然气的浓度较高，大部分气体集中在该区域，危险程度较高。气体沿着障碍物的壁面向上运动扩散，障碍物顶部以下区域，不同风速下的天然气浓度分布规律基本相同，表明风速对该区域内的天然气扩散影响较小；当天然气扩散至障碍物顶部以上区域后，扩散受风速的影响较大，随着风速的增加，天然气向下游扩散的程度越严重。在障碍物的背风面，该区域几乎没有天然气的存在，该区域是安全区域，一些动设备或可能产生火花的装置可考虑安放在障碍物的背风面侧，以减小当天然气泄漏时发生火灾、爆炸的概率。

图5 有障碍物时不同风速下天然气浓度分布

2.2.2 不同泄漏速度下扩散

在试样的应力腐蚀开裂过程中，对裂纹的产生和扩展起决定作用的不是应力而是拉伸速率。一般来说，当拉伸速率在10-4～10-7 mm／s内时，钢材才能够发生应力腐蚀。通过电子金相研究可知，在此拉伸速率范围内，试样的裂纹尖端处于产生应力腐蚀开裂的临界平衡状态。

图6为有障碍物情况下风速为8m/s时不同泄漏速度下天然气浓度分布。

不论泄漏速度有多大，泄漏孔至障碍物迎风面之间的区域都是天然气相对集中的区域，该区域是危险区域。高浓度区域的范围与泄漏速度的大小直接相关，泄漏速度越大，高浓度区域的范围也就越大。泄漏气体沿障碍物迎风面向上扩散，在越过障碍物顶部后，在风速的作用下向下游扩散。

图6 有障碍物时不同泄漏速度下天然气浓度分布

2.3 障碍物对扩散的影响

本节分析风速为6m/s，天然气泄漏速度为200m/s情况下障碍物高度和距离对扩散的影响。

2.3.1 障碍物高度的影响

图7为障碍物到泄漏孔距离均为1m时不同障碍物高度情况下的天然气扩散。天然气从泄漏孔漏出后，向上运动，由于障碍物的阻挡作用，在障碍物的迎风面气体浓度较高，在越过障碍物顶部以后天然气的扩散方向由于风速的作用发生了偏转。在障碍物顶部之后区域天然气的浓度分布规律基本相同，所不同的是，由于喷射速度的存在，天然气接触到达障碍物后，会沿着障碍物的壁面向上运动直到障碍物顶部，使得顶部的天然气存在向上运动的速度。障碍物对天然气扩散起到了一定的抬升作用。所以，障碍物高度对天然气喷射扩散的影响较为明显，在相同泄漏速度和风速作用下，天然气基本上沿着障碍物壁面进行扩散，障碍物越高，天然气的偏转高度也越高。

图7 障碍物高度对泄漏扩散的影响

2.3.2 障碍物距离的影响

图8为障碍物高度均为20m时障碍物到泄漏孔距离不同的情况下天然气扩散情况。由图可见，天然气总是集中在障碍物迎风面的拐角处。障碍物到泄漏孔的距离越小，障碍物的迎风面侧的高浓度区域范围越小，但泄漏孔与障碍物之间的天然气浓度较高。随着障碍物到泄漏孔之间距离的增大，高浓度区域的范围增大，这增大的范围主要还是集中在障碍物迎风面。在越过障碍物顶部以后，天然气的扩散规律基本相同，障碍物与泄漏孔之间的距离对障碍物后部天然气的浓度几乎没有影响。由分析可得，天然气的泄漏扩散受障碍物到泄漏孔的距离的影响较为明显，在所研究的范围内，障碍物到泄漏孔的距离越大，迎风面所阻挡沉积的天然气量也越大，迎风面的危险性较大。

图8 障碍物距离对泄漏扩散的影响

3 结论

3.1 当天然气发生高速泄漏扩散时，在泄漏孔附近存在明显的射流现象，该位置处的天然气浓度很高、速度很大，随着天然气的不断膨胀和扩散，浓度和速度逐渐减小。

3.2 风速对天然气的扩散有明显的输送作用，天然气有往下风方向输送的趋势，风速越大，输送作用越明显。

3.3 天然气的泄漏速度对扩散有明显的影响，泄漏速度较小时，天然气贴近地面扩散，速度越大扩散的高度越高。

3.4 障碍物对天然气的扩散有较大的影响。泄漏孔与障碍物之间天然气的浓度较高，大部分气体集中于障碍物的迎风面，背风面几乎没有天然气的存在。在相同泄漏速度和风速作用下，天然气基本上沿着障碍物壁面进行扩散，障碍物越高，天然气的偏转高度也越高。

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StudyontheNatureGasLeakageandDiffusionInfluencedbyObstaclesDistributionandWindSpeeds

SUN Zhen-guo1, SHAO Chun-lei2
(1.WuxiBranch,JiangsuProvinceSpecialEquipmentSafetySupervisionandInspectionInstitute; 2.CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

The FLUENT software was used to simulate the nature gas leakage and diffusion influenced by obstacle distribution and wind speed is. Both diffusion law and concentration distribution law of the methane influenced by different obstacle distributions and wind speeds were obtained to provide the basis for predicting the influence scope of the nature gas leakage and diffusion. The results show that, both methane concentration and velocity near leaking holes are very high; the greater the wind speed is, the more obvious the effect of the wind conveys natural gas to the down direction. Leakage rate of nature gas has significant influence on the diffusion, the bigger leakage rate brings about the higher diffusion height. The effect of obstacle height on the natural gas diffusion is mainly reflected in the gas diffusion along the obstacle wall and gas deflection height. The effect of the distance from leaking holes to obstacles on the natural gas diffusion is mainly reflected in the blocking effect of windward side.

pipeline leakage，nature gas, leakage and diffusion, obstacle, wind speed, numerical simulation

国家安全监管总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目；江苏省质量技术监督局科技项目(KJ133836)。

孙振国(1983-)，高级工程师，从事承压类特种设备安全检测方法的研究，szg@wxtjy.com。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)03-0350-07

2016-07-12，

2016-12-09)