开窗条件对室内天然气扩散影响的模拟研究

石剑云，潘科

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

随着燃气在居民生活中的普及程度越来越高，燃气事故风险也随之加大.室内燃气泄漏后，是一个受限空间内的浮力射流在对流和扩散作用下的气体扩散过程.研究燃气泄漏扩散过程对预防室内燃气事故有重要意义.

吴晋湘等[1]在一侧开有通风窗的模拟室内进行了液化石油气的泄漏实验，发现燃气浓度随高度分层，可燃区域是一个有一定厚度的水平区域.随着计算机技术的发展，CFD(计算流体力学)被广泛应用于室内燃气泄漏扩散研究.郭杨华[2]、薛海强[3]、黄小美等[4]对气体在受限空间内泄漏扩散的实验和数值模拟结果进行了对比，证明了数值模拟与实验结果符合较好.王亚冲[5]验证了Reynolds平均湍流模型在气体扩散模拟中的有效性.这些研究对于CFD技术应用于室内燃气泄漏扩散起到了重大推动作用.

燃气在泄漏扩散过程中，可燃区域在时刻变化.范旭东[6]通过对餐馆厨房的燃气泄漏模拟，研究了天然气泄漏后在高度上的非均匀分布现象，发现浓度沿房间高度变化呈现双线性的特征.于义成[7]发现泄漏量越大室内燃气浓度的分层现象越不明显，危险性越高.陈琪等[8]模拟了室内天然气发生微量泄漏时气体的扩散累积情况，发现狭小空间及阻碍物区域燃气浓度累积较快.韩永华等[9]研究了空间阻塞率对燃气扩散的影响，发现空间阻塞率超过一定值时，室内将形成危险区域.

门窗开启及通风条件对燃气扩散的影响是众多研究者关注的热点.黄小美等[4]、卢鉴莹等[10]研究发现，门窗关闭时可燃区域会先增大后减小，随着门窗开度增大，可燃区域会达到稳定值.李红培[11]发现，对于开放式厨房，开窗有风和用隔断对厨房进行隔离可以降低事故风险.张丽[12]的数值模拟结果显示室外通风会使爆炸危险区域很快达到稳定，风速超过一定值时，爆炸区域变小.于菲菲等[13]模拟了厂房内的燃气管道泄漏，发现风速在小孔泄漏时影响较大，风速对位置较高处的影响大于地面附近.Zhirong Wang等[14]针对室内CO2在通风条件下的的泄漏扩散进行了数值模拟和实验研究，发现气体浓度在下风侧先增大再趋于稳定，障碍物迎风侧会出现高浓度区.

以上学者的研究大大推进了人们对燃气泄漏扩散过程的认识.然而，现实中场景和影响因素众多，不同影响因素对燃气扩散的综合作用还有待深入研究.本文拟重点研究泄漏速率和门窗条件对燃气扩散的综合作用，从而为燃气泄漏事故的预防和应急处理提供理论依据和参考.

1 数值计算模型

1.1 物理模型

本文以厨房天然气泄漏为研究场景.该厨房布局见图1，长×宽×高=3 m×2.2 m×2.4 m，下厨柜占去3 m×0.6 m×0.8 m的空间，一门一窗，泄漏口中心坐标为(1，0.3，0.8).文中采用了3种窗户A、B、C.门、窗尺寸见图2.门下留有0.01 m门缝，门套、窗套宽度0.2 m.

1.2 计算模型

描述天然气在室内泄漏扩散过程的基本控制方程主要有质量、动量、能量和组分输运方程，所有方程可表示为[14-15]

(1)

式中,φ代表变量，Γφ为此变量的扩散系数，Sφ为此变量的源项.将φ取不同的变量(密度、速度、能量、体积分数)，并取相应的扩散系数和源项，即可得到各控制方程.

使用ICEM CFD软件建立如图1所示的三维几何模型，并进行结构化网格划分.对泄漏口、壁面等位置网格进行加密，并经反复调试，综合计算的精度和效率，取网格数量11.2万.采用Fluent 15.0进行计算模拟，选用SIMPLE算法、标准k-ε模型，开启组分输运模型和能量方程.

2 计算场景

假设大气压力为101325Pa，温度300K.泄漏天然气为纯甲烷(CH4).参考《家用燃气灶具》(GB 16410-2007)5.1.1规定，泄漏口设置为2000kPa的压力入口.

泄漏口简化为正方形，采用了3种尺寸参数，以实现高、中、低三种泄漏速率.改变泄漏口尺寸、门窗位置及大小、通风条件等参数，文中模拟了室内天然气泄漏的11种不同情景，参数设置见表1.

表1 计算情景及参数

考虑到厨房内顶部、中部、底部的插座为潜在的引火源，参考插座高度，设置了P1、P2、P3三个测点实时记录CH4的体积浓度，坐标分别为(1,0,2.1)、(1,0,1.2)、(1,0.6,0.3).CH4的爆炸极限约为5%～15%，将CH4体积浓度处于5%～15%之间的区域称为爆炸区域，在Fluent计算过程中实时判定爆炸区域的体积并用内存变量记录.

3 计算结果分析

3.1 泄漏口面积影响

情景1、2均为门窗关闭状态，泄漏口面积比为4∶1.两种情景下的P1、P2、P3三个测点的CH4体积浓度随时间变化曲线见图3.由图3可看出：①在门窗关闭状态下，室内CH4的浓度基本呈线性升高的趋势；②泄漏口的面积越大，室内CH4的浓度升高速率越大，CH4的浓度升高速率基本上与泄漏口面积成正比；③室内CH4浓度呈现随高度分层的现象，水平位置越高CH4浓度越大，泄漏口面积越小浓度分层越明显.

分别取情景1、2中600 s时刻，图4为此时刻x=1(穿过泄漏口)处切片的CH4体积浓度等值线分布图.可看出：CH4射流呈漏斗形向上方扩散，此漏斗区为CH4浓度最高区域；由于CH4密度低于空气，泄漏出的CH4在初始射流速度和浮力的双重作用下汇聚于屋顶，室内上部空间为CH4高浓度区域；CH4逐渐从高浓度区域向低浓度区域扩散，从而形成了CH4的浓度分层.情景1中泄漏速率远大于情景2，因此射流的空间扰动作用也比较强，从而使情景1中的浓度分层相对较小.

情景1、2、10中的爆炸区域体积随时间的变化见图5.可以看出：①情景1中泄漏速率远大于情景2，导致情景1中爆炸区域的形成时间远小于情景2：情景1中200 s左右爆炸区域达到最大，基本上厨房内部全部为爆炸区域；情景2中400s左右爆炸区域达到最大.②由于CH4浓度超过15%将不能被引爆，随着CH4浓度持续升高，爆炸区域达到最大后逐渐减小直至消失.情景1中爆炸区域持续时间远低于情景2，分别约为300s和800 s.③情景10中，当室内天然气浓度超过爆炸上限后关阀，打开窗户A.结果显示开窗后爆炸区域重新增大并长时间保持.这说明情景1、2中的CH4浓度过高使得爆炸区域消失并不表示爆炸危险性消失了，室内仍存在较大的爆炸风险.

3.2 门窗启闭及通风条件的影响

(1)门窗启闭及通风状态对燃气扩散的影响

情景2、4、9分别为在中等泄漏速率下关窗、开窗、通风三种情况.图6为三种情景下爆炸区域的体积对比，图7为三种情景下600 s时刻的速度矢量图及CH4浓度云图.由于泄漏口速度过高，不便于比较，图7中舍去了泄漏口的速度矢量.图7中的CH4浓度云图用阴影表示，图7(a)～7(c)中的阴影区域体积基本相同，但阴影区域的CH4体积浓度阈值分别为0.05、0.04、0.001.综合图6、7可看出：①情景2中的爆炸区域体积、CH4浓度均略高于情景4.从图7的速度矢量图中可看出情景4中部分高浓度气体通过窗户向外扩散，这是导致情景4中爆炸区域、CH4浓度略低的原因;②情景9中爆炸区域体积几乎为0，CH4浓度也仅为情景2中的2%左右.速度矢量图显示大量气体向窗外高速扩散.这表明向室外通风对于降低室内燃气浓度非常有效.

(2)开启窗户的作用分析

3.2节第(1)部分表明，开启窗户会使高浓度气体向室外扩散，对降低CH4浓度有一定作用.情景3、4、5为开启窗户时分别选取不同的泄漏口尺寸的情况.图8为三种情景下爆炸区域的体积对比.可以看出：泄漏口越小，开窗对减小室内爆炸区域的作用越明显；泄漏口很小时，开启窗户使得室内CH4浓度很难达到爆炸极限.

情景4、6、7在相同泄漏速率下开启了不同的窗户.情景4、6中的窗户面积相同，但情景4中的窗户为中部安装，情景6中的窗户为上部安装.情景7中的窗户面积是情景4、6中的2倍.图9显示了三种情景中P2测点的浓度变化.图10显示了三种情景下的爆炸区域体积.

图9、10显示：①情景4中的测点浓度略高于情景6，但情景6中的爆炸区域体积略高于情景4，这表明窗户的高度在一定范围变化对CH4扩散有影响，但影响不明显.②情景7中的测点浓度、爆炸区域体积均远低于情景4、6，这表明窗户面积加倍大大加快了CH4向室外扩散，从而降低了爆炸风险.

(3)窗户通风的作用分析

3.2节第(1)部分表明，通风对降低室内CH4浓度有较大作用.情景8、9在打开门和窗户A通风的条件下分别采用了1 cm×1 cm和0.5 cm×0.5cm的泄漏口尺寸.图11为两情景下的测点浓度曲线.可以看出，即使在1 cm×1 cm大口径泄漏条件下，厨房门0.5 m/s的通风仍足以使室内各区域CH4浓度低于爆炸下限.

在燃气泄漏事故处理中，当室内燃气浓度已经很高时，需要迅速关阀并设法降低室内燃气浓度.情景10、11为CH4泄漏至爆炸上限后，关闭阀门，然后开窗无风与开窗通风两种情况.图12为情景10、11中的测点浓度比较.可以看出，通风条件下的CH4浓度下降速度远高于无通风条件.有通风条件下，关阀400 s后室内CH4浓度几乎降为0；而无通风条件下，关阀1 000 s后仅下部空间的 CH4浓度降到了爆炸下限.图13为两种情景下的爆炸区域体积比较.可以看出：关阀之后，有通风时爆炸区域较小，且持续了400 s即完全消失；无通风时爆炸区域较大，持续了1 400 s后才开始下降.

4 结论

(1)门窗关闭条件下，天然气浓度上升速率基本与泄漏口面积成正比，爆炸区域体积先增大后减小直至消失.天然气浓度超过爆炸上限后再开窗会导致天然气浓度重新回到爆炸极限范围;

(2)当天然气泄漏速率较小时，开窗可以使室内爆炸区域体积大大降低.增大窗户面积可明显降低室内燃气浓度;

(3)当天然气泄漏速率较大时，只开启窗户对于降低气体浓度作用不大.窗户中部安装和上部安装对降低气体浓度的作用相差不大;

(4)向室外通风对于降低天然气浓度作用很大.厨房门0.5 m/s的微风基本就能保证高泄漏速率下的室内气体浓度不超标.当室内气体浓度很高时通过开窗通风也能迅速降到爆炸范围以下.因此室内天然气泄漏后最优的处置方案是关闭室外电闸、关阀、开门窗通风.

致谢:感谢辽宁省科技厅、大连交通大学对本文研究工作的资助与支持.