城市與平坦地勢天然氣管道泄漏擴散規律的數值研究

（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041）

城市與平坦地勢天然氣管道泄漏擴散規律的數值研究

黃 俊，劉勇峰

（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川 成都 610041）

天然氣泄漏事故在城市環境中不斷發生。為了了解不同城市環境和平坦地勢中天然氣泄漏的規律，根據流體力學規律，建立了不同環境中天然氣泄漏的數學模型，模擬天然氣泄漏后的分布規律。結果顯示：由于環境的不同，導致不同環境中空氣流速分布不一樣，從而引起城市與平坦地勢天然氣泄漏規律不一致。我們在制定天然氣泄漏應急措施時，需根據環境的不同，制定不一樣的措施。

天然氣；泄漏；擴散；數值計算

天然氣是一種優質的清潔能源，近幾年在我國得到了廣泛的應用。由于管道的腐蝕、第三方破壞等因素的影響，管道不可避免會發生泄漏的事故[1]。天然氣一旦泄漏，由于其易燃、易爆、易擴散的性質，將會產生嚴重的后果。據統計2003年到2008年我國城市室外天然氣管道事故共有67起[2]，事故涉及到39個市縣，事故原因中第三方破壞占得比例比較大。北京，上海，武漢，合肥等城市都有泄漏事故發生，嚴重影響了人們的生活和環境。

目前，科技工作者對于天然氣泄漏進行了大量的研究，秦政先利用Fluent模擬了各因素對天然氣泄漏規律的影響[3]，胡夏琦確定了一種用于高壓管道泄漏的模擬方法，研究了高壓管道天然氣泄漏的變化規律[4]，香港、芝加哥、曼哈頓等城市都進行了危險氣體泄漏的數值模擬，模擬結果和實驗室測試結果一致[5～7]。參照天然氣泄漏的數值模擬方法，針對平坦地勢和城市天然氣管道泄漏的擴散規律進行了模擬和對比分析。

1 模型的建立

天然氣的擴散問題是無化學反應的單相多組分擴散的問題，根據天然氣在泄漏擴散時要遵循的動量守恒定律、質量守恒定律和能量守恒定律，建立天然氣泄漏的數學模型。天然氣在泄漏口時速度很大，所以還要選擇合適的湍流方程。

1.1 數學模型

（1）連續性方程

式中：ρ—混合物的密度；

ui—（x，y，z）三個方向上的速度。

動量守恒方程：

式中：P—絕對壓力；

μ—動力粘度；

g—重力加速度；

ρa—空氣的密度。

能量守恒方程：

式中： cp—熱容；

k—傳熱系數；

T—溫度；

ST—流體內熱源和機械能轉換成熱能的部分能量。

組分質量守恒方程

式中：Cs—組分S的體積濃度；

Ds—擴散系數；

ρCs—質量濃度。

湍動能和耗散方程為:

式中：Gk—湍動能（因為平均速度梯度而引起的）；

Gb—湍動能（因為浮力引起的）；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響[8]。

1.2 物理模型及模擬參數

根據全國各大城市天然氣管道泄漏事故統計結果，選取DN500 mm的管道為研究目標，泄漏孔的面積取管道截面積的20%[9]，孔口朝上，我們選擇計算區域為100 m×100 m的二維空間，城市天然氣泄漏的模型圖如圖1所示，平坦地勢也選擇同樣大小的計算區域，模型圖如圖1、2所示。

（三）借助CAI等輔助教學手段，創設形象、直觀的課堂情景。充分利用好教學掛圖、實物、手偶、簡筆畫、動作、多媒體等形象直觀、生動活潑的教學手段，學生通過看景、聽音、會意，直接理解英語和提高用英語思維的能力，從而最大限度地控制和減少漢語的介入，培養良好英語語感習慣，激發學生的創新思維。

圖1 城市環境的物理模型Fig.1 Physical model of city environment

兩種物理模型的模擬條件一致，基本參數見表1，泄漏口天然氣泄漏的速度為300 m/s，泄漏速度在模擬時間內保持不變。

2 模擬結果分析

天然氣發生泄漏后，影響較大的因素是風速，風在泄漏之前就已經存在，為了更真實的去模擬現場的實際情況，在開始天然氣模擬之前，要先模擬出無泄漏時計算區域內風的流場，得到風速的流場之后然后再模擬泄漏的，這樣可以得到更真實的天然氣泄漏規律。

圖2 平坦地勢的物理模型Fig.2 The physical model of flat terrain

圖3 X方向的速度分布Fig.3 X direction velocity distribution

圖4 Y方向的速度分布Fig.4 Y direction velocity distribution

表1 基本參數Table 1 Essential parameter

平坦地勢的風速流場比較簡單，沒有其它因素的影響，風速大小為5 m/s，方向為由左至右。城市環境時，由于建筑物的影響，風速在大小和方向上都發生了一些變化，速度分布云圖如圖3、4所示。如圖可知，風速在大小和方向上都發生了很大的變化，在建筑物中間的上方空間產生了一塊風速較大的區域，最大風速為11 m/s，這將會導致天然氣泄漏后擴散規律發生明顯的變化。

圖5 4 s時甲烷的體積分布云圖Fig.5 The volume of distribution of methane at 4 s

圖6 120 s時甲烷的體積分布云圖Fig. 6 The volume of distribution of methane at 120 s

圖7 4 s時甲烷的體積分布云圖Fig.7 The volume of distribution of methane at 4 s

2.1 城市天然氣管道泄漏

圖5為城市天然氣管道泄漏4 s時甲烷體積分數分布云圖，從圖中可以看出，在最初的4 s之內，因為建筑物中間沒有風，所以天然氣泄漏后迅速向兩邊擴散，左邊由于風速的影響向上擴散較快，氣體高度已經超過建筑物的高度。體積分數最大的區域集中在泄漏口的上方，總體上成對稱分布。

圖6是天然氣泄漏120 s時甲烷的體積分布云圖，此時天然氣主要集中在泄漏口的右側，擴散的高度大約為50 m，由于天然氣的密度的比空氣的小，所以天然氣越過建筑物后向地面擴散的比較少，主要集中在20 m到50 m的高空中。

2.2 平坦地勢天然氣管道泄漏

圖7所示為天然氣泄漏4 s時甲烷的體積分布云圖，在開始泄漏的4 s內由于風速的作用，天然氣沿垂直和水平方向擴散，在泄漏口附近偏右的區域體積分數較大，擴散速度在水平方向上較快，4 s內已經快到達50 m的地方。

圖8是天然氣泄漏120 s后甲烷的體積分布云圖，此時甲烷主要分布在高空中，主要集中在50 m到100 m的高空中，產生這么大升力主要是由于天然氣的密度小于空氣密度。天然氣離開泄漏口后垂直方向主要的動力來自天然氣的浮力。

圖8 120 s時甲烷的體積分布云圖Fig.8 The volume of distribution of methane at 120 s

2.3 對比分析

以上分別介紹了不同環境時天然氣泄漏的過程，可以發現天然氣在不同的環境中時，由于建筑物的阻擋作用，環境中的風速發生了很大的變化，導致城市天然氣泄漏時從開始就與平坦地勢的泄漏環境不一樣。

開始泄漏時，由于泄漏口附近的風速的不同，天然氣泄漏后分布發生了變化，城市環境主要是向上和兩邊擴散，兩邊大致對稱。平坦地勢則不同，主要向上和向下風向擴散，而且向下風向擴散速度較快。

泄漏120 s后天然氣的分布也不同，城市天然氣泄漏后主要氣體主要分布在泄漏口到右邊的建筑物中間和20到50 m的高空中。平坦地勢的天然氣泄漏后主要呈放射性分布，天然氣主要集中在50 m到100 m的高空中。如圖是120 s時城市和平坦地勢的風速分布圖，從圖中可以得知，速度的分布有很大的不同。城市環境中氣體的速度分布很復雜，在建筑物上面大約20 m范圍內氣體在水平方向的速度比平坦地勢大，所以氣體向上擴散速度較慢，主要集中在高度約20 m到50 m之間。

由于地面是人主要的活動區域，所以地面附近天然氣越多，對人越危險，可能引起爆炸等事故的概率也越大。所以城市天然氣管道泄漏比平坦地勢要危險，要根據城市環境的不同，制定不同的應急措施。

3 結 論

由于平坦地勢和城市環境的不同，導致環境風速不一致，從而引起城市天然氣泄漏時從開始就與平坦地勢的泄漏環境不一樣。平坦地勢的擴散主要向上和向下風擴散；城市環境的擴散主要集中在建筑物中間20到50 m的高空中。城市天然氣管道發生泄漏時，與平坦地勢不一樣，所在制做應急措施時，要根據環境的不同來制定具體的應急措施。

［1］李偉，楊義，劉曉娟.我國天然氣消費利用現狀和發展趨勢[J].中外能源，2010,15(5)：8-12.

［2］國輝.我國城市天然氣管道事故統計及分析[J].安全、健康和環境,2008,8(4)：6-8.

［3］秦政先.天然氣管道泄漏擴散及爆炸數值模擬研究[D].成都:西南石油大學，2007.

［4］胡夏琦.含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數值模擬[D].青島：中國石油大學，2006.

［5］王治華.受限空間內氣體擴散的數值模擬及分析[D].大連:大連理工大學,2009.

［6］朱淵，陳國明.高含硫天然氣管道泄漏擴散過程CFD建模[J].系統仿真學報，2009,21(20)：6613-6616.

［7］董剛，唐維維，杜春,等.高壓管道天然氣泄漏擴散過程的數值模擬[J].中國安全生產科學技術，2009，5(6):11-15.

［8］劉勇峰，吳明，趙玲,等. 城市天然氣管道泄漏數值模擬[J].工業安全與環保.2012,38(5):51-53.

［9］李民權,等譯.工業污染事故評價技術手冊[M].北京：中國環境科學出版社,1992．

［10］程猛猛，趙玲，吳明，等.架空天然氣管道泄漏擴散數值模擬［J］.遼寧石油化工大學學報，2013,33（3）：32.

［11］付俊濤，李玉星，夢令雅，等.輸氣管道泄漏音波與干擾信號特征提取［J］.石油化工高等學校學報，2012,25（2）：53.

日本研發出全球最耐熱生物塑料

日本北陸尖端科學技術大學院大學和筑波大學的科研組日前開發出可以在400度高溫下不變性的全球最耐熱生物塑料。新制作工藝中使用了大腸菌。這種塑料的特點是透明且堅硬，用這種塑料代替車用玻璃可以大大減輕汽車重量。

日本研究人員注意到，某些放線菌分泌的一種氨基肉桂酸擁有非常堅固的結構。研究人員根據這一發現對大腸桿菌進行基因重組，再利用它使糖分發酵，制造出自然條件下幾乎不存在的“4-氨基肉桂酸”。

研究人員通過光反應和高分子化等方法，用“4-氨基肉桂酸”聚合制取聚酰胺酸，然后在150至250攝氏度的真空下加熱制成聚酰胺薄膜。這種薄膜難以燃燒，能夠耐受390攝氏度至425攝氏度的高溫，而此前生物塑料的最高耐熱溫度是305攝氏度。研究人員認為，比起以石油為原料、通過復雜工藝制造的傳統塑料，這種生物塑料成本相對較低。他們今后準備進一步提高其強度，爭取早日達到實用化。

Numerical Simulation of Natural Gas Pipeline Leakage in City and Flat Terrain

HUANG-Jun，LIU Yong-feng
（China Petroleum Engineering Co.，Ltd. Southwest Company，Sichuan Chengdu 610041，China）

Gas leakage accidents often occur in the city environment. In order to understand the leakage law of natural gas in the different city environment, mathematical model of natural gas leak in different environment was established based on the law of fluid mechanics to simulate natural gas distribution after the leakage. The results show that, because environment is different, air velocity distribution in different environment is not same, so gas leakage laws in the city and flat terrain are different. We should make different natural gas leak emergency measures according to the different environment.

Natural gas; Leakage; Diffusion; Numerical simulation

TU 996

A

1671-0460（2014）02-0298-03

2013-08-06

黃俊（1984-），男，湖北武漢人，助理工程師，工學碩士，2011年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業，研究方向：主要從事油氣田地面工程設計，E-mail：huangjun2_sw@cnpc.com.cn。