基于Fluent的城镇LPG管道泄漏事故后果及影响因素分析

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(1.东北大学资源与土木工程学院， 辽宁沈阳110819;2.清华大学工程物理系 公共安全研究院， 北京100084)

0 引言

随着城镇LPG管道输送规模的迅速增加，LPG管道泄漏扩散并进一步导致火灾爆炸等二次事故的危险性日益严重。LPG管道泄漏扩散规律的研究，是LPG管道典型事故后果分析的基础，是制定事故防治措施和应急救援决策的关键。1980年，Shell Research公司在Thames海湾北海库Maplin沙漠地区，采用冷冻液化天然气和液化丙烷进行了可燃重气泄漏扩散以及燃烧的Maplin Sands试验[1]。英国HSE组织，在Thorney Island的平坦地面和障碍物地形条件下，进行了不同密度的氮气混合气体和氟利昂混合气体的泄放试验，称为Thorney Island系列试验[2]。1980年到1986年，美国国家实验室及海军武装中心进行了液化天然气在水池中的泄漏扩散实验(KOOPMAN R P, BAKER J, CEDERWALL R T, et al. LLNL/NWC 1980 LNG spill tests.Burro series data report: the appendices[J]. Natural Gas, 1982)。Schmidt等[3]采用FLUENT软件，进行了氢气和空气混合气的泄漏扩散数值模拟，分析了泄漏速度、障碍物、风速等对扩散蔓延规律的影响。Sklavounos[5]以及Tauseef等[4]，利用数值模拟方法，分析了气温和障碍物等因素对气体泄漏的影响。王建、秦挺鑫、王正、崔铁军等[6-11]建立了数值模型，分析了泄漏源尺寸及理化参数、气象条件和障碍物等因素对重气扩散过程的影响。本文基于FLUENT建立重气扩散数值模拟模型，通过模拟结果和Thorney 008实验结果的对比，验证FLUENT数值模拟方法的可靠性；进一步以某市LPG管道为研究对象建立数值模拟模型，研究了不同风速、障碍物宽度和城镇峡谷效应情况下，泄漏后的LPG质量百分数以及可燃浓度爆炸极限范围的分布情况，分析了LPG泄漏扩散的影响机制。分析所得的规律对液化石油气管道的安全运营和维护有一定的指导意义，同时对事故发生后的人员疏散和应急救援有一定的技术指导，对维护社会稳定，具有着重要的经济和现实意义。

1 基于FLUENT的重气扩散数值模拟模型建立和验证

Thorney Island系列实验是由英国健康和安全执行局(HSE)组织，在英国南海岸的一个废弃的空军基地Thorney Island上进行的。本文选取实验条件和结果数据相对比较充分的Thorney Island Trial 008号实验结果进行基于FLUENT的数值模拟模型的建立和验证。

Thorney Island Trial 008实验将混合气体充入到形似帐篷的密闭容器(由柔韧的聚氯乙烯材料制成)，其混合气体为氟利昂-12(质量分数为53 %)与N2的混合气体(初始相对密度为1.65)，可以近似视作一个高13 m直径14 m的圆柱体，并通过转动装置的方式使该容器保持直立。容器的顶部为一个盖子，当以极快的速度将帐篷的侧边快速下落到地面时，顶部的盖子收缩，使容器内气体瞬间形成一个完好的直立重气柱，然后开始扩散。在无障碍的平坦地面(地面粗糙度0.01 m)上进行体积为2 000 m3重气的瞬时泄漏实验，实验初始压力为101 325 Pa，泄漏物质温度和地面温度均为18.3 ℃，10 m高度风速为2.4 m/s，初始Richardson数为13.9，大气稳定度为D。

采用纯气相扩散的三维数值模型对Thorney Island Trial 008实验的整个扩散过程进行数值模拟[12]，计算域长宽高为300 m×115 m×33 m，计算域的边界除了下边界为地面外，其他的边界均位于能够使得重气扩散已经达到了充分发展的状态。释放源为一个半径为7 m，高为13 m的圆柱体，将其下底面中心布置在(50,115,0)点的位置，如图1所示。图2为泄漏发生后t= 30 s时刻,Y=115 m处xy平面混合气体质量百分比云图。

图1计算区域示意图
Fig.1Illustrationofcomputationalregion

图2xy平面混合气体质量百分比
Fig.2Mixedgasmasspercentageinxyplane

图3和图4为其中两个测量点实测数据和数值模拟结果的比较。可以发现，就各测点混合气体质量百分比的演化趋势而言，本文的计算结果与实验数据误差在合理范围内,说明本文建立的基于FLUENT的重气扩散数值模拟模型是适用和可行的。

图3测点(62,35,0.4)混合气体质量百分数
Fig.3Mixedgasmasspercentageinpoint(62,35,0.4)

图4测点(35,62,2.4)混合气体质量百分数
Fig.4Mixedgasmasspercentageinpoint(35,62,2.4)

2 城镇LPG管道泄漏扩散的数值模拟参数设定

选取某市LPG管道泄漏事故为研究对象，泄漏管道直径为640 mm，管道内的设计压力为0.5 MPa。LPG管道发生瞬间、连续泄漏，泄漏孔位于管道的正上方，泄漏孔的当量直径100 mm，泄漏过程中泄漏速率和泄漏口面积均不变。对LPG的成分进行简化，假设气相空间由质量百分比分别为65 %的丙烷和35 %的正丁烷组成[12]。由于液化石油气管道采用高压运输的方式，当发生泄漏时,液化石油气会由于压力下降而迅速地气化,所以本论文将泄漏简化为液化石油气气体泄漏,不讨论泄漏时的相变问题。建立二维数值模拟模型，分析LPG管道泄漏后形成的气云在垂直面上的扩散规律和浓度场演变情况。

在建立模型时，选择FLUENT15.0中基于压力的求解器，模拟不可压缩流体非稳态扩散规律[13]。此外，由于空间浓度场会随时间发生变化，所以选择非稳态求解器。求解时，由于一阶离散比二阶离散收敛好，但精度较差，所以在迭代开始时采用一阶离散，进行初步迭代后再转到二级格式，以确保模型能够收敛，也能有较好的精度。由于采用的是四边形网格，且需要较好的稳定性，所以选择显式算法。对泄漏口处和地面的网格进行加密，采用非结构化网格，以确保计算精度。

3 风速对LPG泄漏扩散的影响

不同风速条件下LPG管道泄漏扩散形成的气云的质量百分比云图和爆炸极限范围见图5。可以看出，在迎风面，LPG分布较为紧密，各不同质量百分比云层之间的过渡区域较小。在背风面，各不同质量分数云层之间的过渡区加大[14]，并且产生了一定的涡漩流区域。风速越大，在泄漏源孔口形成的膨胀云层就越小，沿着下风向近地区域LPG质量百分数增大，爆炸极限范围变宽，说明风速增加增强了对下风向LPG的输运作用，使得LPG泄漏对近地区域的影响加剧。

(a) 正丁烷质量百分数 (b) LPG质量百分数爆炸极限范围

4 障碍物宽度对LPG泄漏扩散的影响

障碍物宽度分别为1、5、10 m时，LPG质量浓度云图和爆炸极限范围图见图6。可以看出，随着障碍物宽度的增加，迎风面的LPG气云堆积云层的大小以及浓度的变化较小，背风侧形成的球状涡流逐渐减小直至消失，而且背风侧LPG的平均质量百分数逐渐减小，这是由于随着障碍物宽度的增加，障碍物的阻隔效应越显著，LPG扩散蔓延的方向从原本的向下扩散，变成了横向运动，抑制了气云向近地面区域的堆积。

(a) 正丁烷质量百分比 (b) LPG爆炸极限范围(质量百分比)

图7 不同地形条件下正丁烷质量百分比Fig.7 Percentage of n-butane mass under different terrain conditions

5 峡谷效应对LPG泄露扩散的影响

城市中，在楼间距密集的狭窄地带，空气会加速流过，并形成较强的涡流，这种峡谷地形对气流的影响，称为“峡谷效应”。在长80 m× 50 m的计算域内，模拟分析峡谷效应作用下LPG管道泄漏扩散的情况，见图7。在25°C、标准大气压、相对湿度为50 %的条件下，两个障碍物之间相隔20 m，底边为风的入口，分别取城市内常见的风力等级3,4,5级，对应速度为5 m/s，8 m/s，10 m/s。可以发现，在泄漏发生60 s后，在建筑物之间聚集了大量的高浓度的LPG气云，同时在建筑物的两侧也有较高浓度的液化石油气聚集，与开阔地带的LPG泄漏扩散相比，高浓度区域相对聚集，而且在街道峡谷内产生了漩涡，在一定程度上增大了火灾爆炸事故的发生概率。

随着风速的增加，建筑物之间聚集的高浓度LPG堆积气云的影响范围和浓度变化较小，而建筑物外侧的LPG堆积气云的大小和浓度有显著的下降直至消失，说明了风速对峡谷效应的影响在于稀释建筑物两侧的LPG气云浓度，而建筑物之间的LPG气云浓度没有明显变化，火灾爆炸危险性仍然很高。

6 结论

① 在迎风面，LPG气云各个不同质量百分数分层之间的差值较小；在背风面，LPG气云分层现象明显，各层之间的差值较大，并且产生了一定的涡流区域。风速越大，在泄漏源处形成的膨胀云层就越小，使得液化石油气的扩散加剧，LPG泄漏沿着下风向的输运作用越强，近地面区域LPG泄漏的影响范围和危险性增大。

② 障碍物宽度的增加有利于抑制LPG气云向背风侧近地区域的扩散蔓延。

③ 当LPG管道在低洼地形和城市高楼间泄漏时，火灾爆炸危险性急剧增加。风速能有效的降低建筑物两侧的LPG气云浓度，但无法有效降低建筑物间的LPG气云浓度。