基于FLUENT的含硫天然氣泄漏數值模擬研究*

王亞超，羅振敏，肖　旸，程方明

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

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基于FLUENT的含硫天然氣泄漏數值模擬研究*

王亞超1,2，羅振敏1,2，肖旸1,2，程方明1,2

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

為了研究天然氣輸送管道發生泄漏后氣體的擴散規律，以長慶油田第五采氣廠輸送管道為研究對象，利用FLUENT軟件進行數值計算。根據現場的實際情況，建立了數值模擬的物理模型，設置合理的邊界條件，得到了不同風速下天然氣擴散規律。結果表明：在靜風條件下，氣體的濃度和速度分布基本上呈對稱分布。在風力的作用下，氣體的濃度場向下風向發生了明顯的偏斜，當風速為3 m/s時，噴射氣流大約在泄漏口上方50 m處發生偏斜，當風速為5 m/s時，噴射氣流大約在泄漏口上方35 m處發生偏斜，當風速為10 m/s時，噴射氣流大約在泄漏口上方15 m處發生偏斜，而且隨著風速的增大，射流偏離豎直方向角度也增大。同時風速越大，硫化氫對人體有危害的面積越小。

數值模擬；天然氣泄漏；風速；危險區域

0　引　言

中國已經探明的含硫天然氣藏逐年增加，在含硫天然氣藏的開采和運輸過程中，一旦發生泄漏，就會造成嚴重的人員傷亡和經濟損失[1]。2012年4月23日，新疆巴音郭楞蒙古自治州發生一起因為施工造成的天然氣管道泄漏事故，事故造成附近3萬多戶居民和餐飲商戶停止供氣。給生產和居民的生活帶來諸多不便。因此掌握含硫天然氣管道泄漏后氣體的擴散規律，對天然氣發生泄漏事故后制定應急救援預案和人員疏散方案起到關鍵作用。

目前，部分學者對天然氣泄漏氣體擴散規律有所研究。李振林，姚孝庭等[2]學者利用FLUENT軟件對高含硫天然氣管道破裂泄漏擴散規律進行了數值模擬，得到了硫化氫、甲烷在一定地形條件和風速影響下的擴散規律。黃琴，蔣軍成[3]運用FLUENT軟件對LNG泄漏擴散的Burro實驗進行了模擬，并將不同點處模擬的溫度和濃度隨時間的變化情況與實驗結果進行了對比。結果表明，溫度和濃度的變化趨勢與實驗值基本一致，水平面、側面以及對稱面上的濃度等值線分布也與實驗基本吻合。

FLUENT軟件目前是功能較為全面，適用性最廣的流體力學計算軟件，在氣體擴散方面有著廣泛的應用[4-7]。因此文中利用FLUENT軟件對中國石油長慶油田分公司第五采氣廠(以下簡稱第五采氣廠或采氣廠)輸氣管道天然氣泄漏擴散進行數值模擬，研究不同風速下天然氣擴散的規律。

1　模型建立及其邊界條件

1.1工程概況

以第五采氣廠天然氣輸送管道為對象，模擬研究不同風速環境下管道發生連續泄漏時的氣體擴散規律。采氣廠轄區地跨內蒙古自治區和陜西2省，主要位于內蒙古鄂爾多斯市烏審旗境內，氣田及管道經過毛烏素沙漠，分沙漠平原區和沙丘波狀區2大地貌單元。采氣廠所采天然氣CH4平均含量約為95%，H2S平均含量207.2 mg/m3，最大含量高達1 196.4 mg/m3，相對密度平均為0.564.采氣廠天然氣輸送管道平均壓力為5 MPa[8].

1.2數學模型的建立

天然氣發生泄漏后在空氣中擴散屬于非穩態紊流運動，因而文中選擇N-S方程組作為主控方程[8]。

連續性方程

(1)

動量守恒方程

(2)

式中ρ為物質的密度；u1,u2,u3分別為時均速度矢量；P為時均壓力；μ為分子黏度。

能量守恒方程

(3)

考慮氣體泄漏后在空氣中的擴散，計算采用組分擴散模型

(4)

式中，假設i物質的質量分數為Y；υ為傳輸速度矢量；Ri為存在化學反應時，化學反應產生物種i的速率，無化學反應時可以忽略；Si為用戶定義而產生i物種的速率；Ji為i物種的質量擴散通量。

1.3物理模型的建立及邊界條件設置

根據現場的實際情況，選取計算區域長100m，寬50m，泄漏孔直徑為0.05m，位于底部中間。管道壓力為5MPa，環境壓力為101 325Pa，環境溫度為293.16K，風流自左邊進入，風速分別取3，5，10m/s，整個計算區域如圖1所示。

圖1　計算區域示意圖Fig.1　Calculation area diagram

網格劃分采用非結構化網格劃分方法。因為泄漏口附近的壓力梯度變化很大，所以在泄漏口附近應將網格劃分足夠多，否則可能計算結果不收斂。經過綜合考慮，最終劃分網格一共69 421個。

在進行解算時，計算采用耦合隱式解法，選擇單精度解算器。由于天然氣泄漏后氣體的擴散速度很大，故采用標準的κ-ε流模型。組分影響采用燃燒模型中不發生化學反應的組份運移模型[9]，天然氣的主要成分為甲烷和硫化氫，甲烷占95%，硫化氫占5%.出口邊界設置為壓力出口邊界條件，在考慮風速影響時，左邊將壓力出口邊界條件改為對應的速度入口邊界條件[10-11]。

2　模擬結果及分析

2.1標準狀態下氣體擴散規律

標準狀態即在風速入口風速為0的情形。由于天然氣管道內部壓力和外部環境壓力相差很大，故自氣體從泄漏孔噴射出來壓力短時間內在小范圍就與周圍環境達到平衡，對整個計算區域影響較小。從圖2至圖4的模擬結果可以看出，天然氣在大氣中自由擴散達到穩定之后，速度和濃度分布基本上都呈對稱分布。而且由于天然氣的初始狀態是高濃度高壓力噴射，所以速度和濃度值在破裂孔口出最大，從破裂孔口進入大氣后再逐步向外擴散，逐漸與大氣摻混均勻。

圖2　標準狀態下氣體速度分布云圖Fig.2　Gas velocity distribution in standard condition

圖3　標準狀態下氣體速度分布局部放大云圖Fig.3　Local magnification image of gas velocity distribution under standard condition

圖4　標準狀態下硫化氫濃度分布圖Fig.4　Concentration distribution of hydrogen sulfide in the standard state

由速度分布云圖2，3可以看出，受輸氣管道內外壓差影響，天然氣由泄漏口噴射而出，產生射流，在孔口外形成一個錐形的射流流場。由于管道內外壓差較大，致使氣體向外噴射的速度很高，與大氣介質摻混在一起，不斷地向周圍擴散。從圖中可以看出，天然氣泄漏為無固壁約束的自由湍流，這種湍性射流通過邊界上活躍的湍流混合將周圍介質卷吸進來，引起渦流現象，在天然氣與大氣分界層周圍產生不規則運動的漩渦。在泄漏口附近，由于射流作用，管道壁面產生局部低壓，構成“真空區”，導致氣流橫向流向射流邊界層。

同時，由氣流分布圖可以看出天然氣泄漏產生湍性射流的幾個特征：①射流寬度同到射流源的距離成正比；②射流流動中產生的渦流，引發流體微團之間橫向的動量、熱量及質量交換，使得射流流動中，總是伴有邊界層的存在，并且隨著射流方向的增長向兩邊擴展，引射更多的周圍空氣進入邊界層；③天然氣與周圍空氣的摻混呈線性漸進性，在不同截面上，天然氣與空氣之間的混合長度沿射流方向寬度保持不變，且與射流寬度成正比，各截面上的氣流參數分布都是相似的，這種特性稱為自由射流的自模性；④離泄漏口比較遠的地方，射流產生彎曲現象，這是由于環境空氣的溫度和密度與泄漏的天然氣不同，重力差致使射流彎曲。這種射流屬于非等密度射流；⑤射流流場中的軸向分速度遠遠大于橫向分速度，故在分析計算時，可將橫向分速度忽略不計，僅考慮軸向分速度，將其做為射流的總速度。

一般情況下，射流運動中，射流中心線上最大速度同到射流源的距離的平方根成反比，因此，隨著此距離增大，射流最大速度越來越小。然而，天然氣從泄漏口噴射出來后，其速度卻呈現先增大后逐漸減小的規律，并非單向減小。究其原因，是因為天然氣密度小于空氣密度，在這種非等密度射流中，運動受正浮力的作用，天然氣射流速度會沿程增大，直到射流的轉折截面。天然氣泄漏出口截面到轉折截面之間的射流區域稱為射流的初始段，轉折截面后的射流區域為射流的主段或基本段。轉折截面后，射流主段完全被射流邊界層所占據，周圍的介質流體開始對整個射流過程產生減速影響，射流速度開始逐漸衰減。因此，射流軸線流速呈現出先增大再減小的規律。

由硫化氫濃度分布圖4可以看出，射流氣體的濃度分布與速度分布規律相似，呈對稱分布，存在明顯的邊界層。在射流核心區內為純天然氣，射流外邊界以外區域為純空氣介質，邊界層為天然氣和空氣介質混合物。在同一截面上，射流中心位置的射流氣體濃度最大，軸心線兩邊濃度逐漸減小。受鉛直向上的正浮力作用，在射流核心區，初始動量起主導作用，天然氣的流動特性類似于純射流，反映在濃度分布圖上，表現為射流核心區的射流氣體濃度極高，幾乎不受空氣介質的影響。由于射流寬度同到射流源的距離成正比，所以隨著噴射高度的逐漸增高，氣體的射流寬度隨之增大，射流氣體濃度分布區域也隨之增大。這是由于射流氣體沿程卷吸周圍靜止空氣的阻滯作用，初始動量作用逐漸減弱，而浮力作用逐漸增強，最終占據主導地位，所以射流氣體擴散程度越來越大，最終運動高度可達計算區域頂部。

2.2不同風速下氣體擴散規律

獲得不同風速下H2S的濃度分布對研究天然氣泄漏擴散規律有著重要意義。通過數值模擬，得到環境風速為3，5，10 m/s時天然氣中H2S濃度的分布云圖和H2S氣體危險區域云圖，如圖5，6所示，通過硫化氫氣體濃度分布情況來描述整個天然氣的擴散情況。

圖5　不同風速下H2S濃度分布云圖Fig.5　H2S concentration distribution under different wind speeds(a)風速為3 m/s　(b)風速為5 m/s　(c)風速為10 m/s

圖6　不同風速下泄漏點上方垂直距離H2S質量濃度曲線圖Fig.6　H2S mass concentration curve of vertical distance above the leakage point under different wind speed

通過對比圖4和圖5可以清楚的看出，受環境風速的影響，H2S的濃度場在風速條件下明顯向下風向偏斜，而且射流偏離垂直方向角度隨著風速的增大而增大。在孔口處，管道內的高壓，使得含硫天然氣泄漏的射流動壓力極大，射流速度極高，遠大于外界風速，風流產生的動壓相對于射流動壓力，影響微乎其微，可以看出，含有H2S的天然氣剛從泄漏口噴射出時其濃度場并沒有發生明顯的傾斜。隨著射流距離的逐漸增大，射流動壓力作用逐漸減小，空氣阻力作用逐漸凸顯[12]，射流速度逐漸降低，大氣湍流作用逐漸增強，射流氣體擴散作用也隨之增強，風流產生的動壓對射流壓力場的影響作用開始顯現，并逐漸增強。含硫天然氣濃度場在風速的作用開始發生偏轉，氣團沿下風向飄散，風速對H2S擴散的作用逐漸加強，所以隨著徑向距離的增大，H2S濃度等值線向右傾斜的趨勢就越來越明顯了[13]。

通過圖6的數據可以得出，在泄漏口上方的垂直方向H2S氣體的濃度隨著距離的增加而減小。當風速為3 m/s時，泄漏氣體在泄漏口上方50 m處濃度接近于0，即在50 m處氣體發生傾斜。當風速為5 m/s時，泄漏氣體在泄漏口上方35 m處濃度接近于0，即在35 m處氣體發生傾斜。當風速為10 m/s時，泄漏氣體在泄漏口上方15 m處濃度接近于0，即在15 m處氣體發生傾斜。數據顯示，當風速越大，泄漏天然氣越容易發生傾斜。

從圖7可以看出，隨著風速的逐漸增大，天然氣中的H2S的危險區域分布范圍呈現出減小的趨勢。風流對天然氣的推動作用主要是在下風向，隨著風速的繼續增大，天然氣與空氣之間由于大氣湍流作用和氣流卷吸作用，同時不斷地摻混發生熱量和質量的交換，天然氣氣團被空氣稀釋，從而造成天然氣泄漏影響范圍隨著天然氣氣團濃度降低而逐漸減小。當風速足夠大時，天然氣氣團會在離開射流核心區后即被稀釋，泄漏影響范圍消失。

圖7　不同風速下時H2S危險區域分布圖Fig.7　H2S distribution of dangerous area at different wind speeds(a)風速為3 m/s　(b)風速為5 m/s　(c)風速為10 m/s

根據文獻[14，15]構建的模型及風速為4，5，14 m/s時濃度天然氣濃度分布規律研究可知，風速越大，天然氣發生傾斜越大，對下風向區域的影響范圍越大。該結論與本論文的研究結果相符，證明文中所建立的數學模型合理，數值模擬結果對含硫天然氣泄漏事故災害影響區域分級預警及應急救援預案的制定具有一定的指導意義。

3　結　論

1)采用FLUENT軟件可以模擬得到天然氣管道泄漏后的濃度分布情況。在標準條件下，管道泄漏的天然氣以自由射流的形式進入大氣空間，射流氣體濃度和速度分布相似，呈對稱分布。在正浮力作用下，射流軸心線氣體流速呈先增后減的規律，氣體濃度在射流核心區極高，至邊界層后逐步擴散；

2)環境風速對天然氣泄漏擴散的有很大的影響。在風速的動壓力作用下，H2S的濃度場向下風向發生了明顯的偏斜，風速越大，噴射氣流越容易發生傾斜，而且隨著風速的增大，射流氣體偏離豎直方向角度隨之增大，但偏斜點離泄漏口距離減小。當風速為3 m/s時，在泄漏口上部50 m處發生傾斜，當風速為5 m/s時，在泄漏口上部35 m處發生傾斜，當風速為10 m/s時，在泄漏口上部15 m處發生傾斜；

3)環境風速對含硫天然氣中H2S氣體的危險區域也有一定的影響。環境風速越大，硫化氫對人體有危害的面積越小，危險區域越靠近地面。

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Numerical simulation for the leakage of natural gas with sulfur based on FLUENT software

WANG Ya-chao，LUO Zhen-min，XIAO Yang，CHENG Fang-ming

(1.CollegeofSafetyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China; 2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

The transportation pipe of 5thGas Recovery Plant with Petro China Changqing(PCOC)was simulated using FLUENT software to study the diffusion characteristics of natural gas in the pipe after leakage.The physical model was built according to the field investigation，and the diffusion characteristics at various air velocities were obtained at appropriate boundary conditions.The results indicate that the distributions of gas concentrations and velocities were both symmetric at windless conditions.The gas concentration field declines downstream due to the wind.At air velocities of 3，5 and 10 m/s，the decline of the jet gas started at 50，35 and 15 m above the leakage opening，respectively.Additionally，with the increase of the air velocity，the decline slope became larger,and the harmful area to humans from hydrogen sulfide was smaller.

numerical simulation；leakage of natural gas；air velocity；dangerous area

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0406

1672-9315(2016)04-0484-06

2016-03-25責任編輯：劉潔

國家自然科學基金(51304155)；博士啟動基金(A5030144)；國家自然科學基金(51404192)；國家自然科學基金(51504187)

王亞超(1981-)，男，陜西寶雞人，工程師，E-mail:28664676@qq.com

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