楼宇排列方式对天然气泄漏扩散影响的数值模拟*

欧阳的华 晏皓昱 王秋保 郭志勇 张君善

1西安建筑科技大学资源工程学院

2中国石油青海油田公司采气三厂

3武警工程大学装备管理与保障学院

近年来，我国天然气行业发展迅速，不仅在大中城市被广泛应用，经济发达的县城、乡镇也已经敷设大量的天然气管道，这些埋设的天然气管道由于人为及其他原因易损坏，从而导致天然气泄漏。当泄漏的天然气蔓延至近火源区域，若浓度接近爆炸极限，将进一步引发爆炸，导致人员伤亡和财产损失。因此，研究天然气在楼宇间的泄漏扩散规律对事故发生后的安全防护和应急救援具有重要的现实意义。

目前针对天然气泄漏扩散已开展了大量研究，如WANG 等[1]研究了天然气在公共隧道泄漏时不同泄漏量和压力情况下所对应的事故应急有效换气率；赵学俭[2]对天然气从土壤扩散到大气后在土壤表层积聚的现象和规律开展了数值模拟；ZHOU等[3]从天然气泄漏引起周围温度变化的角度出发，结合真实气体状态方程和光纤拉曼散射原理，系统地分析、阐述了渗漏孔周围土壤温度的变化趋势；WANG 等[4]对埋地天然气管道泄漏过程中的天然气在土壤中的扩散过程进行了数值模拟；彭伟等[5]探究了单个泄漏孔的大小、位置、形状对于埋地燃气管道泄漏的影响，并建立大小相等的双泄漏孔的燃气管道，确定了双泄漏孔间距对于燃气泄漏扩散的影响；ZHANG 等[6]建立了城市建筑群模型，模拟和分析了街道交叉口处天然气扩散的浓度；PARK 等[7]分析了建筑屋顶冷却情况下，城市街道间活性污染物流动和扩散的情况；邬长福[8]、王树乾[9]、张文艳[10]采用数值模拟方法分别研究了风速和压力对管道天然气泄漏扩散的影响；孙振国等[11]对3 种不同高度（5 m、10 m、20 m）的单栋障碍物，探究了障碍物高度、障碍物与泄漏孔的间距对天然气扩散的影响；徐川等[12]采用Fluent 对20 m 高的障碍物下的天然气扩散情况展开数值模拟；王琳等[13]探究了3 种不同高度（20 m、40 m、60 m）的单栋障碍物其高度以及泄漏口与障碍物之间的距离对天然气扩散的影响；江攀、徐景德、LIU、王秋红等[14-17]以2 栋多层建筑为障碍物，将泄漏口置于两栋楼体之间，探究了不同的楼间距和楼高对楼体中间区域天然气扩散行为的影响。

由上述分析可知，对于天然气在楼宇间的泄漏扩散虽已开展了相关研究，但研究的楼层高度较低且研究范围多局限在单侧楼体或两楼宇之间。由于我国人口数量巨大，土地资源相对紧张，居民区多以高层及多楼宇为主，并且楼间距相对较小，一旦小区外侧埋设的天然气管道破裂，天然气扩散至小区内将对居民的生命及财产安全造成巨大威胁。为此，本文以三栋高层建筑为对象，对多个楼宇间的天然气泄漏扩散特性进行了研究，在此基础上，分析了不同建筑高度差对其扩散特性的影响，以期为高层居所的人员逃离、救援及天然气管道的敷设提供理论依据。

1 理论方法

1.1 流体控制基本方程

天然气主要成分为甲烷，对天然气的研究可简化为对甲烷的研究。针对天然气管道的泄漏，采用不发生反应的组分输运模型，建立控制方程。

连续方程：

动量方程：

能量方程：

组分方程：

式中：ρ为密度，kg/m3；ui、uj分别为i和j方向的速度矢量，m/s；p为压力，Pa；τ→、F→分别为微元体表面的黏性应力矢量和彻体力矢量，N；T为温度，K；kc为流体传热系数；cp为比热容，J/(kg·K)；ST为黏性耗散项；cs为组分s的体积浓度，mg/m3；Ds为该组分的扩散系数；S为组分的生成率。

1.2 湍流模型

天然气管道输气压力远大于环境压力管道，破裂后多形成射流，且大气运动和天然气射流均为湍流过程，因此选用标准的k-ε湍流模来描述湍流[18]。其中k指湍流脉动动能，J；ε指湍流脉动动能耗散率，%；标准的k-ε湍流模型方程见式（5）、式（6）。

紊动能k方程为：

紊动能耗散ε方程为：

式中：ui为i方向的速度分量，m/s；μ为黏度，kg/(m/s)；μt为湍流黏度，kg/(m/s)；ε为湍流脉动能耗散率，%；xi、xj分别为为i和j方向传输距离，m；ρ为气体密度，kg/m3；t为时间，s；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项，J；Gb为浮力影响引起的湍动能产生项，J；YM为流体可压缩性引起的动能产生项，J；Sk、Sε为用户定义的源项；C1ε、C2ε、C3ε为默认值常数，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε=0.09；湍动能k与耗散率ε的普朗特数分别为σk＝1.0，σε＝1.3。

2 CFD 模型建立

2.1 几何模型建立

选取中压燃气管道，且管道破裂时泄漏口裸露在空气当中，管道压力为0.3 MPa，泄漏孔径为80 mm。天然气的主要成分为甲烷，故简化为甲烷自泄漏口喷出。

根据《高层民用建筑钢结构技术规程(附条文说明)》的规定，高层民用建筑为10 层及10 层以上或房屋高度大于28 m 的住宅建筑，以及房屋高度大于24 m 的其他民用建筑。本文拟探究高层民用建筑背景下的天然气管道泄露，故对三种工况的建筑高度设定如下：

工况一：A、B、C 所对应的建筑高度均为36 m；工况二：A、B、C 所对应的建筑高度分别为36 m，32 m，28 m；工况三：A、B、C 所对应的建筑高度分别为28 m，32 m，36 m。三种工况下建筑物长宽均为15 m×20 m，建筑间隔固定均为5 m，A、B 间区域定义为区域一，B、C 间区域定义为区域二，设定在A 楼前10 m 处发生天然气泄漏事故。

根据建筑周围风环境CFD 实际应用指南：计算域入口距最近建筑物满足5H，出口距建筑物满足15H，计算域上边界距地面满足6H，其中H为建筑高度，建筑高度H=36 m。建立的物理几何模型如图1 所示。为更为清晰、直观地观察天然气扩散质量分布，取200 m×150 m 为观测区域。

图1 物理几何模型Fig.1 Physical geometric model

2.2 网格划分

采用ICEM CFD 对物理模型进行网格划分，为了模拟更为准确，需要对泄漏孔以及楼体附近区域网格进行加密处理。随后对网格质量进行检查，没有发现负体积，表明网格质量较好。最后转化为非结构网格输出保存。

2.3 参数设置

基于压力求解器，在y方向设置重力加速度为-9.81 m/s2；计算域左侧为空气入口，定义速度入口，湍流条件选择湍流强度和水力直径，速度为3 m/s；计算域上方和右侧定义为压力出口；泄漏孔定义为压力入口，压力为0.3 MPa，甲烷质量分数为1，湍流强度和水力直径分别为3%、0.08 m。

3 模拟结果与分析

3.1 建筑物等高排列

图2 为工况一条件下不同时刻的天然气质量分数分布情况。由图2 可知，在工况一条件下高速喷出的天然气在t=1 s 时扩散高度超过A 号楼，t=3 s时开始向区域一扩散，t=4 s 时，天然气在区域一的扩散深度达到楼体中部，并且开始有天然气向区域二扩散。随着泄漏时间的增加，区域一和区域二中天然气浓度和覆盖范围不断变大，但区域二天然气覆盖深度低于区域一。

图2 工况一条件下不同时刻天然气质量分数分布云图Fig.2 Cloud map of mass fraction distribution of natural gas at different times under Working Condition I

同时，针对区域一中部a（x=222.5，y=18）和区域二中部b（x=247.5，y=18）两点进行分析。图3 为工况一a、b 两点的甲烷浓度变化。由图3 可知：在区域一中部天然气浓度3 s 到5 s 迅速上升，后续浓度下降是因为楼体顶部气体流动速度比较快导致压强大从而带走一部分天然气，最后整体趋于稳定；区域二中部前期变化规律相同，但20 s后天然气浓度持续上升是因为天然气积聚速度大于被带走速度。

图3 工况一a、b 两点的甲烷浓度变化曲线Fig.3 Change curves of methane concentration at two points of a and b under Working Condition Ⅰ

泄漏的天然气受到自然风流影响冲击在A 号楼向风侧并分成两股风流，一股向下形成漩涡，另一股由于“柯恩达效应”[19]顺着墙体向上爬升。当天然气上升到空中时遇到冷空气冷却[20]，停止上升。此时想要下降的空气被继续上升的空气阻挡，所以开始向四周扩散。

3.2 建筑物由高到低排列

图4 为工况二条件下不同时刻天然气质量分数分布图。当建筑物由高到低排列时，天然气从t=17 s 开始逐渐向区域一扩散，t=20 s 时开始向区域二扩散。图5 为工况二a、b 两点的甲烷浓度变化，通过图5 与图3 相比可以看出，虽然a 点峰值浓度较高，但提供了约20 s 的疏散时间，并且b 点浓度相对更小。

图4 工况二条件下不同时刻天然气质量分数分布云图Fig.4 Cloud map of mass fraction distribution of natural gas at different times under Working Condition II

图5 工况二a、b 两点的甲烷浓度变化曲线Fig.5 Change curves of methane concentration at two points of a and b under Working Condition Ⅱ

3.3 建筑物由低到高排列

图6 为工况三条件下不同时刻天然气质量分数分布云图。由图6 可知，天然气在泄漏初期扩散高度迅速超过A 号楼，并受到B 号楼的影响分成两股气流，一股继续随着风流向后方扩散，另一股则顺着B 号楼楼体向下蔓延扩散。当t=3 s 时，天然气充满整个区域一且开始向区域二运动。随着泄漏的进行，区域一与区域二充满天然气，区域一天然气气体浓度时刻高于区域二天然气气体浓度。

图6 工况三条件下不同时刻天然气质量分数分布云图Fig.6 Cloud map of mass fraction distribution of natural gas at different times under Working Condition Ⅲ

图7 为工况三a、b 两点的甲烷浓度变化。对区域一和区域二两点进行分析后发现：由于受到高度差的影响，风流对于区域的影响减弱，并由于贴壁效应使得天然气在区域内积聚，所以与图3、图5相比，此时区域一内a 点天然气浓度较高。区域一的积聚也导致区域二b 点天然气浓度与图3 相比较小，但后续b 点天然气浓度处于一个持续上升的状态。

图7 工况三a、b 两点的甲烷浓度变化曲线Fig.7 Change curves of methane concentration at two points of a and b under Working Condition Ⅲ

3.4 不同高低排列方式对楼宇间天然气泄漏扩散的影响

表1 为不同工况下a、b 两点的部分监测参数。通过对比a、b 两点30 s 内天然气监测装置出现数值初始时刻，可以发现工况二条件下，a，b 两点初始时刻最长为21 s，即建筑由高向低可有效减缓天然气扩散；观察a、b 两点的天然气浓度峰值可知，工况二的a 点浓度峰值相对较低，b 点最低且仅为工况一、三浓度峰值的3/20、3/10，由此可知，建筑高度由高向低可有效阻碍天然气扩散。

表1 不同工况下a、b 两点监测参数对比Tab.1 Comparison of monitoring parameters of a and b points under different working conditions

4 结论

通过FLUENT 软件，运用瞬态模拟的方法，对不同楼宇排列方式下天然气泄漏扩散情况进行分析，结论如下：

（1）天然气从泄漏孔喷出受风向影响冲击在A号楼向风侧流动并形成向下回流，之后顺着楼体贴壁流动进行扩散，一旦进入楼内并接触明火，当到达一定浓度时，就会引起楼层内部的火灾爆炸。

（2）对比三种工况条件下天然气泄漏扩散情况发现，工况三即建筑物按高度从泄漏口方向由低到高排列时，后方较高建筑相当于一个天然屏障阻碍天然气扩散，使得天然气在楼体间加速积聚，造成较大安全隐患；工况二即建筑物按高度从泄漏口方向由高到低排列时，天然气在两区域扩散浓度和深度较低，并且有一定的缓冲时间有利于人员的疏散和相关工作的展开。

（3）在居民建筑区域敷设天然气管道时，尽量将天然气主管道敷设在较高建筑一侧，利用较高建筑对后方建筑起到一定的保护作用，同时避免楼群附近有高障碍物，阻碍天然气向大气扩散。