居民用户天然气泄漏三维数值模拟分析

1 概述

随着我国的生态文明建设，天然气作为一种清洁能源，普及率越来越高。但随之也带来很多安全问题。据博燃网平台统计，2020年发生燃气安全事故539起，接近100人死亡。其中，居民用户发生的燃气事故有336起，占比高达63%，大多与燃气泄漏有关。

堤坝劈裂灌浆技术是在总结了传统的堤坝灌浆技术的经验教训，分析了堤坝裂缝的成因以及泥浆劈裂堤坝规律的基础上提出来的。劈裂灌浆技术不论在施工工艺还是在理论研究方面取得了不少进展。但是，山于该项技术的特殊性及加固对象的多样性，所以还有很多理论方面的问题没有解决。

为预测居民用户天然气泄漏危害范围和指导安全预防工作，学者们对泄漏扩散问题进行了很多研究，但集中在泄漏开口条件

、泄漏源高度

、门的开度

、建筑布局

、外部环境因素

、二维泄漏分析

等，针对开窗条件对居民用户天然气泄漏扩散危害影响的量化研究较少。

为分析开关窗对居民用户天然气泄漏扩散危害的影响作用，本文对开关窗条件下居民用户天然气的泄漏扩散情况进行模拟研究。

2000年，世纪之交这个秋冬季节，我在参加单位组织的一次支农采拾棉花回家途中，所乘坐拉运棉包的车辆由于侧翻冲进路边的排渠，在那次事故中，爱人永远地离开了我，而我也造成了胯关节骨折，尾骨骨折。期间，我在医院平躺了一个月方才出院，又在家休养了近10个月才上班，后来我在单位成为了一名门卫。那年，女儿年仅十岁。

2 数值模型的建立

2.1 模型假设

采用CFD软件进行计算，基于有限体积法求解可压缩流场的N-S方程。湍流方程采用标准

-

模型，求解计算方法采用SIMPLE算法。流体运动的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程见文献[11]，物质传输扩散守恒方程中的组分运移方程见文献[12]。

2.2 物理模型

根据某居民用户的厨房，建立如图1的物理模型。厨房长×宽×高为3.0 m×1.8 m×3.0 m，灶台长×宽×高为2.5 m×0.6 m×0.8 m，窗户宽(

方向)×高(

方向)为0.8 m×1.2 m，窗台高0.9 m，窗台两端点坐标分别为(0,0.5,0.9)和(0，1.3，0.9)。认为门是常闭的，因此模型中没有画出。本文所有坐标单位均为m。方形泄漏孔中心坐标(1.50，0.35，0.82)，边长为1 cm。体积分数监测点共10个，其中

坐标为1 m的监测点分别为P1(1.0，0.6，1.0)、P2(2.0，0.6，1.0)、P3(1.0，1.2，1.0)、P4(2.0，1.2，1.0)；

坐标为2 m的监测点分别为P5(1.0，1.2，2.0)、P6(2.0，1.2，2.0)、P7(1.0，0.6，2.0)、P8(2.0，0.6，2.0)；监测点P9(1.90，1.75，1.40)为灯具开关位置，P10(0.5，1.5，0.5)为其他电器可能引爆泄漏混合气的监测点。

当窗户关闭时，各监测点体积分数随泄漏时间(记为

)变化曲线见图4，泄漏速度随泄漏时间变化曲线见图5，三维和二维体积分数云图见图6～8。由图4可知，泄漏72 s后，各监测点最大体积分数范围约为0.2%～2.3%，其中P5处的体积分数最大；高位监测点处的体积分数一般更高，且甲烷泄漏扩散的体积分数与泄漏时间无明显相关关系；由于处于最低位置，P10处体积分数很小，难以达到甲烷爆炸下限；而P5～P8处于高位，最大体积分数均达到2.0%，有一定爆炸风险。由图5可知，泄漏速度随泄漏时间基本呈线性减小趋势，约在泄漏60 s后逐渐减至0，即不再泄漏；依据计算结果，60 s后的厨房压力基本稳定在2 kPa，与泄漏压力相等，达到压力平衡状态。由图6～8可知，由于泄漏为竖直向上喷射，泄漏孔上方体积分数云图呈现喷射的放射状，且泄漏孔附近初始体积分数较高。由于同工况下甲烷密度比空气小，泄漏时甲烷会先在屋顶聚积，而后逐渐向下扩散。由图7、8可知，

=1.5 m以上区域体积分数较高，集中在1.5%～2.0%范围，泄漏72 s时呈分层分布的趋势。

2.3 数学模型以及方程求解

为简化计算模型，作如下假设：模型中的门窗关闭状态为完全封闭状态，不涉及缝隙、孔隙等；厨房内部只存在灶台，不考虑其他厨房设施；不考虑泄漏孔形状的影响。

2.4 泄漏场景参数设置

感染发生率与患者年龄，吸烟史，基础营养状况，是否使用糖皮质激素，是否合并糖尿病及有无侵袭性操作，临床分期，放疗化疗，手术，住院时间等因素有关，差异具有统计学意义(P<0.05)，发生院内感染与患者性别，肿瘤病理分型无关(P>0.05)。见表2。

厨房窗户考虑了打开和关闭两种状态。甲烷爆炸极限为5%～15%，但为了突出体积分数梯度变化，本文云图取体积分数范围0.5%～25.0%进行分析。模拟得到初始泄漏速度为8.4 m/s。本文只研究了甲烷体积分数，将其简称为体积分数。

根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》 (2020年版)第10.2.2条，居民用户灶台处的天然气压力不超过2 kPa。基于安全后果最大化分析原则，取天然气泄漏压力为2 kPa进行计算。

3 模拟结果与分析

第三，进一步重视“五位一体”总布局与“五个世界”总路径的关系研究。与国际上构建“五个世界”这个总路径相对应的，是国内“五位一体”建设的总布局。应当看到，推动构建人类命运共同体作为中国特色大国外交的重要内容，其指向不仅是增进人类福祉，也是指向民族复兴和人民幸福。研究“五个世界”与“五位一体”的关系，是更好地统筹国际与国内两个大局的要求以及更好地适应全面深化改革和全面对外开放的要求，为构建人类命运共同体寻找切实可行的途径。而且，将中国发展与世界发展紧密结合起来，也是体现中国自信、中国智慧的表现。

重力加速度取9.8 m/s

，环境温度为293.15 K，大气压力为101.325 kPa。将天然气视为纯甲烷，其温度为293.15 K。泄漏方向为垂直台面向上。将厨房内空气及泄漏的天然气设为理想气体。墙面设置为壁面边界。开窗时，窗户设置为压力出口；关窗时，窗户设置为壁面边界。

当窗户打开时，各监测点体积分数随泄漏时间变化曲线见图9，三维和二维体积分数云图见图10～12。由图9、10可知，窗户打开时，由于初始泄漏速度达8.4 m/s，甲烷泄漏后迅速在屋顶聚积，厨房空间体积分数增长较快，随着甲烷扩散至窗户附近，从窗户逃逸，体积分数逐渐减小，并趋于稳定；泄漏12～13 min后，各监测点体积分数达到峰值；P5～P8位置高，体积分数逐渐稳定在14%左右，处于爆炸极限范围；P1～P4及P9体积分数集中在5%～14%区间内振荡，也处于爆炸极限范围；P10体积分数逐渐稳定在3%～5%，具有较大爆炸风险。由图11、12可知，

=1.5 m和

=0.35 m平面上的体积分数分布在泄漏7.5 min和15 min时变化明显，在此时间段内甲烷在厨房屋顶迅速聚积；在泄漏22.5 min后高度2 m之上的体积分数变化较小，基本处于稳定状态。

对模型进行网格划分，并将泄漏孔附近区域采用了局部加密操作，网格数量达107 584个。模型网格划分与泄漏孔加密网格划分分别见图2、3。

② 窗户打开时

规制合法性是指满足制度的规制性约束，规制性过程包括规则设定、监督和奖惩活动。规则设定和政府认可的社会组织身份可以使社会组织具有在社区治理中采取行动、享有权利和获得收益等能力。在获取了组织的规范合法性和认知合法性之后，取得社会组织身份以增强规制合法性成为LL的主要合法化任务。

① 窗户关闭时

③ 对比分析

窗户关闭时，甲烷泄漏扩散后的体积分数比窗户打开时低，因为随着密闭空间内甲烷增加，空间压力迅速增加到2 kPa，与泄漏压力平衡，之后泄漏停止，甲烷泄漏量小，监测点体积分数不超过2.3%；窗户打开时，甲烷不断从窗户扩散出去，甲烷的泄漏与扩散会达到平衡，但泄漏时间远长于窗户关闭时的泄漏时间，大部分监测点体积分数可能处于爆炸极限范围内，爆炸风险大。整体来看，在本文计算条件下，窗户关闭比窗户打开条件下天然气泄漏导致的爆炸风险更小。

4 结论

① 窗户关闭时，由于厨房空间完全封闭，随着天然气泄漏，厨房空间压力会迅速增大至泄漏压力，达到压力平衡。平衡后的天然气体积分数最大值约为2.3%，达不到爆炸极限。

② 窗户打开时，由于初始泄漏速度达8.4 m/s，天然气泄漏后迅速在屋顶聚积，厨房空间天然气体积分数增长较快，随着天然气从窗户逃逸，天然气体积分数逐渐减小，并趋于稳定。部分高位监测点天然气体积分数可达14%左右，处于爆炸极限范围。

③ 在所研究的计算条件下，窗户关闭即厨房空间完全封闭比窗户打开条件下天然气泄漏导致的爆炸风险更小。

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