基于FLACS的食堂天然气泄漏爆炸事故后果模拟

王有智，吴明，杜金，宫克

基于FLACS的食堂天然气泄漏爆炸事故后果模拟

王有智，吴明，杜金，宫克

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

针对食堂的特点，利用FLACS软件对某大学食堂进行三维建模，在考虑喷射方向、障碍物等因素的基础上，模拟天然气的泄漏及爆炸情况，研究了特定场景下气体云团的扩散过程、爆炸冲击波和温度的发展规律。结果表明，当天然气垂直向上泄漏时，因食堂屋顶的阻碍作用，天然气在小型摊位发生堆积；当天然气水平泄漏时，天然气在用餐区域体积分数较高；爆炸初期，首先出现以点火点为中心的爆炸压力冲击波，压力冲击波以圆弧形向外传递，泄漏方向对爆炸产生的最大超压影响较小；温度分布受泄漏方向的影响较大，垂直喷射时高温集中在小型摊位处，水平喷射时温度沿喷射方向由高到低分布。

学校食堂； FLACS软件； 泄漏； 爆炸

随着社会的发展，人类对资源的需求越来越大。天然气因具有热值高、污染少的优势而受到广泛关注[1]。天然气给人类带来了很多便利，但是存在一定危险。学校食堂具有人流密度大、人流较为集中等特点，一旦发生爆炸，会对人员和财产造成严重威胁。因此，对学校食堂内天然气泄漏和爆炸进行研究具有重要意义。

流体力学（CFD）数值仿真计算方法具有耗费低、可重复性高等优点，众多学者应用基于计算流体力学方法的事故仿真软件模拟气体在复杂环境中的扩散、爆炸等过程[2⁃3]。M.Pontiggia团队通过CFD方法模拟一起发生在意大利Viareggio镇上的重大LPG轨道车泄漏事故，研究了障碍物对LPG气化后气云扩散的影响[4]。薛海强[5]发现障碍物阻碍液化石油气的扩散，使其在障碍物处聚集。肖峻峰等[6]发现在天然气泄漏时，随着输气压力的提升，爆炸时产生更大超压值。王秋红等[7]发现，乙烯泄漏时风对气体云团起稀释作用，使气体云团浓度降低。罗振敏等[8]用FLACS软件对瓦斯爆炸进行数值模拟，并进行试验验证，发现二者的平均误差仅为1.88%。王国磊等[9]建立室内天然气泄漏扩散模型，对轻质气体天然气和重质气体液化石油气的泄漏进行模拟，发现气体密度对气云分布起关键作用。

本文利用FLACS软件建立学校食堂内天然气泄漏扩散模型，模拟泄漏方向不同时天然气的扩散情况，并在泄漏扩散模拟的基础上进行爆炸事故模拟，分析了泄漏方向不同时天然气爆炸后果。

1 物理模型的建立及网格划分

1.1 物理模型的建立

北京市某学校食堂分布见图1，模型尺寸为40 m×20 m×4 m。模型按照典型的学校食堂布局，设置4个小型摊位，每个小型摊位布置一个灶台、储存架、水槽，设置60张餐桌，可容纳240人就餐。

图1　北京市某学校食堂分布

模拟学校食堂天然气泄漏事故，泄漏口直径为20 mm，管道内压为2 kPa。判断该气体流动状态为亚音速流动，天然气泄漏的质量流量为0.016 2 kg/s。天然气中甲烷、乙烷、丙烷的体积分数分别为90%、7%、3%。设置两种场景：场景一，天然气泄漏的初始方向为方向；场景二，天然气泄漏的初始方向为方向。泄漏扩散时间为240.00 s。对泄漏参数进行设置：泄漏孔位置为（24.50，2.00，1.51），泄漏孔面积为0.000 196 m2；湍流强度为0.04，湍流长度为0.000 5 m；温度为20 ℃；地面粗糙度为0.01；点火时间设定为999.00 s，防止在泄漏过程中天然气被点燃，泄漏条件选为小孔泄漏。

1.2 网格划分

网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，影响模拟结果的准确程度和CPU运算时间[10]。因此，建立模型后先对模拟区域进行分区，然后对各区域进行网格划分，并反复调整，使其既要符合数值模型的要求，也要确保几何模型的科学性。构建食堂天然气管道泄漏场景时，将泄漏口处的网格细分为0.05 m，在距泄漏点较远处将网格向四周拉伸，以加快运算速度，学校食堂的网格划分见图2。

图2　学校食堂的网格划分

2 数学模型的建立

模拟气体泄漏扩散时，泄漏气体扩散过程应满足质量方程、动量方程和能量方程等三大基本守恒方程。

（1）质量守恒方程：

式中，为密度，kg/m3；为时间，s；u为方向的速度，m/s。

（2）动量守恒方程：

（3）能量守恒（焓守恒）方程：

（4）燃烧质量输送方程：

模拟气体爆炸时，除了遵循上述三大守恒方程外，FLACS软件中还采用有限体积法求解天然气的燃烧质量输送方程。

燃烧方程：

（5）湍流动能守恒方程：

在FLACS软件中，采用双方程模型，即湍流动能方程和湍流动能耗散率方程解决湍流问题。

式中，为湍流动能，J；P为阻力系数。

（6）湍流动能耗散守恒方程：

（9）

式中，为质量流量，kg/s；dg为气体泄漏系数，与泄漏点形状有关，本文取1.0；为气体的摩尔质量，取0.016 kg/mol；为气体常数，取8.314 4 J/(mol•K)；为泄漏口面积，m2；为泄漏孔半径，m。

在数值模拟时，通常假定爆炸过程不存在热交换[12]。FLACS软件的Gas Explosion模块可进行可燃气体云团的爆炸模拟，既可以自定义爆炸气体云团的浓度及其分布，也可以将泄漏模块产生的气云转存至Gas Explosion模块。本文将扩散泄漏产生的气云转存至Gas Explosion模块，并重新设置爆炸参数，对爆炸后果进行模拟。

根据泄漏模拟的气云浓度分布，选择适宜的点燃点进行点燃。将所有的边界条件设置为欧拉型，设定两种爆炸场景均在泄漏完成后立即点燃。在点火点周围设置观察点，记录爆炸时的温度、压力变化情况。

3 模拟结果及分析

3.1 天然气泄漏及扩散的模拟结果（场景一）

根据已建立的模型，结合天然气管道的基础参数，模拟天然气泄漏扩散过程。当天然气发生泄漏时，由于管道内部压力的作用，天然气以一定的初始速度向泄漏口方向喷射，场景一的泄漏方向为方向，即指向屋顶的方向。场景一的天然气体积分数分布云图如图3所示。由图3可以看出，天然气泄漏2.00 s时，泄漏口附近没有障碍物阻碍，气云呈喷射状向外泄漏，具有潜在爆炸可能性的危险区域较小（已知天然气气体的可燃爆炸体积分数为5%～15%[13⁃14]），仅局限在泄漏口附近，泄漏口中心的天然气体积分数较高；天然气泄漏160.00 s时，具有潜在爆炸可能性的危险区域面积增加，气云中心高体积分数天然气区域变大，天然气扩散至屋顶，并且沿屋顶蔓延、堆积；当天然气泄漏240.00 s时，屋顶聚集了一定量的天然气，在体积分数梯度的作用下，聚集在屋顶的天然气出现向下扩散的趋势。

图3　场景一的天然气体积分数分布云图

场景一的观察点天然气体积分数随时间的变化曲线如图4所示。由图4可以看出，在距离泄漏口1.2 m处，天然气体积分数在0.014～0.022波动；随着距泄漏口距离的增加，天然气体积分数逐渐降低；由于喷射方向为方向，气云在扩散过程中受到屋顶的阻碍作用，天然气体积分数均呈波动状态。

3.2 天然气泄漏及扩散的模拟结果（场景二）

场景二的天然气体积分数分布云图如图5所示。由图5可以看出，当天然气泄漏2.00 s时，天然气沿灶台的上表面向就餐区扩散，距喷射口距离越远，天然气体积分数越小，此时天然气泄漏量较少，在泄漏口和灶台上表面天然气体积分数达到了爆炸体积分数；当天然气泄漏160.00 s时，天然气扩散区域变大，已扩散至就餐区，因食堂假定为密闭空间，所以不受到风场的影响；当天然气泄漏240.00 s时，气云扩散范围进一步加大，但可爆炸的危险区域保持不变，气云扩散分布趋势维持不变。

图4　场景一的观察点天然气体积分数随时间的变化曲线

图5　场景二的天然气体积分数分布云图

场景二的观察点天然气体积分数随时间的变化曲线如图6所示。由图6可以看出，当观察点距泄漏口3.0 m时，泄漏5.00 s天然气体积分数达到稳定状态，此时天然气体积分数为0.021；当观察点距泄漏口8.0 m时，泄漏10.00 s天然气体积分数稳定在0.008；当观察点距泄漏口13.0 m时，泄漏25.00 s天然气体积分数达到稳定状态，其值为0.004。天然气由喷射口以一定速度向方向喷出，观察点距离泄漏口越远，天然气体积分数越小，天然气体积分数达到稳定所需时间越长。

图6　场景二的观察点天然气体积分数随时间的变化曲线

分析泄漏方向对泄漏气云分布的影响发现，在天然气泄漏初期阶段，由于泄漏时间较短，气云集中在泄漏口附近，泄漏方向对气云分布的影响较小；随着泄漏时间的增加，向方向泄漏时，因食堂屋顶的阻碍作用，天然气在小型摊位堆积，而食堂小型摊位动明火量大，因此潜在的爆炸风险较大；当天然气向方向泄漏时，由于喷射方向朝向学生就餐区域，气云在用餐区域体积分数较高，易引起就餐人员恐慌，存在潜在的安全隐患。

3.3 天然气爆炸压力变化分析

基于FLACS爆炸分析模型，在模拟天然气泄漏扩散240.00 s后，点火使其爆炸发生，观察点燃后在不同时间点近地面1.5 m空间的压力冲击波分布，对典型事件的爆炸后果进行分析[15]。发生爆炸时压力冲击波分布云图（场景一）如图7所示。

图7　发生爆炸时压力冲击波分布云图（场景一）

由图7可以看出，爆炸0.25×10－1s时，在右侧小型摊位挡板和墙壁的阻碍下，压力冲击波以点火点为中心，以弧形向外扩散；爆炸0.05 s时，压力冲击波进一步传递，并在小型摊位两侧挡板和墙壁阻碍下在小型摊位中积聚。

场景一观察点的压力随时间的变化曲线如图8所示。从图8可以看出，随着爆炸产生的压力冲击波开始时出现正压，而后出现负压。负压的产生是由于气压下降后空气震动产生的局部真空而形成所谓的吸附作用。爆炸产生的最大正压（超压）约为0.30 kPa，最大负压约为－0.15 kPa，爆炸过程持续时间约为0.70 s。

图8　场景一观察点的压力随时间的变化曲线

场景二爆炸产生的压力冲击波分布云图如图9所示，通过观察点燃后不同时间点距地面1.5 m空间压力冲击波分布，对典型事件的爆炸后果进行分析。

图9　场景二爆炸产生的压力冲击波分布云图

由图9可以看出，爆炸0.25×10－1s时，压力冲击波呈椭圆形分布，并向四周传递；爆炸0.05 s时，压力冲击波被墙壁和小型摊位挡板阻档，在小型摊位处积聚。压力冲击波以椭圆形向外传递至小型摊位外。

场景二观察点的压力随时间的变化曲线如图10所示。由图10可以看出，爆炸发生后的0.20 s内，产生巨大的压力波动，爆炸之初出现正压，而后出现负压；爆炸产生的最大正压为0.28 kPa，最大负压为－0.10 kPa；爆炸过程持续时间较短，约为0.70 s。

图10　场景二观察点的压力随时间的变化曲线

对比分析泄漏方向不同时天然气爆炸产生超压的分布规律发现，在爆炸发生的初期阶段，泄漏方向对压力冲击波的传递规律影响较小，压力冲击波均从点火点以椭圆形向外传递。在传递过程中，因小型摊位挡板的阻碍，使小型摊位处压力增大（见图7（b）和图9（b））。泄漏方向不同时爆炸产生的最大超压的变化范围为0.28～0.30 kPa，爆炸过程持续时间均为0.70 s左右。综上所述，泄漏方向对爆炸产生的最大压力以及超压分布规律影响较小。

3.4 天然气爆炸时温度变化

场景一发生爆炸时的温度分布云图如图11所示。

图11　场景一发生爆炸时的温度分布云图

由图11可以看出，在爆炸的初始阶段，温度与压力的传递规律接近，都是以点火点为中心进行传递，在靠近泄漏点处的温度相对较高，这是因为靠近泄漏点处的气体体积分数相对较高，燃烧剧烈所致；温度的变化范围为400～2 220 K。

场景二发生爆炸时的温度分布云图如图12所示。由图12可以看出，在爆炸的初始阶段，温度以点火点为中心进行传递，点火中心温度较高；温度分布范围随着时间增加，在0.95 s时高温区域已延伸到就餐区，对人员安全造成严重威胁；温度最高达到2 200 K左右。

图12　场景二发生爆炸时的温度分布云图

对比分析泄漏方向不同的条件下天然气爆炸时产生的温度分布规律发现，温度分布与泄漏方向密切相关。当天然气泄漏方向为方向时，可燃气云分布在小型摊位内，爆炸时高温区域在小型摊位中；当天然气方向喷射时，高温区域沿喷射方向分布，甚至波及到就餐区，对就餐人员的安全造成威胁。因此，泄漏方向为向时对食堂的安全隐患较大。

4 结 论

（1）在天然气泄漏初期，仅在泄漏口附近存在可爆炸气云；当泄漏一段时间后，爆炸危险区域达到稳定。天然气垂直向上泄漏时，天然气受食堂屋顶的阻碍作用，在小型摊位发生堆积，由于食堂小型摊位动明火量大，因此爆炸风险较大；当天然气水平泄漏时，由于喷射方向朝向学生就餐区域，气云在用餐区域体积分数较高，易引起就餐人员恐慌，存在安全隐患。

（2）当天然气泄漏发生爆炸时，首先出现以点火点为中心的爆炸压力冲击波，压力冲击波以圆弧形向外传波，因小型摊位挡板的阻碍，使小型摊位处压力增大。爆炸时最高温度达到2 200 K左右。

（3）泄漏方向对爆炸时产生的最大超压影响较小；温度分布受泄漏方向的影响较大，垂直喷射时高温集中在小型摊位处，水平喷射时温度沿喷射方向由高到低分布。

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Simulation of the Consequence of Gas Leakage and Explosion Accident in Canteen Based on FLACS

Wang Youzhi， Wu Ming， Du Jin， Gong Ke

（College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China）

According to the characteristics of the canteen, the FLACS software was used to build a three⁃dimensional model for a university canteen. On the basis of considering the jet direction, obstacles and other factors, the leakage and explosion of natural gas were simulated, and the diffusion process of gas cloud, the development law of explosion shock wave and temperature in a specific scene were studied. The results show that when the gas leaks vertically upward, the gas accumulates in the small booth due to the obstruction of the canteen roof. When the natural gas leaks horizontally, the volume fraction of natural gas cloud in the dining area is higher. At the initial stage of the explosion, the explosion pressure shock wave centered on the ignition point first appears, and the pressure shock wave travels outward in a circular arc. The leakage direction has little effect on the maximum over pressure generated by the explosion.The temperature distribution is greatly affected by the direction of leakage. When vertical injection is carried out, the high temperature is concentrated in the small booth. When horizontal injection is carried out, the temperature is distributed from high to low.

School canteen； FLACS software； Leak； Explosion

TE99；X932

A

10.3969/j.issn.1672⁃6952.2022.01.007

1672⁃6952（2022）01⁃0035⁃06

2021⁃03⁃16

2021⁃06⁃24

国家自然科学基金项目（51604150、51574147）。

王有智（1995⁃），男，硕士研究生，从事中低压燃气管道输送方面的研究；E⁃mail：1061627651@qq.com。

吴明（1961⁃），男，博士，教授，博士生导师，从事油气储运及中低压燃气管道输送等方面的研究；E⁃mail：wuming0413@163.com。

http：//journal.lnpu.edu.cn

（编辑 宋锦玉）