基于CFD模擬的天然氣運(yùn)輸過(guò)程泄露模擬研究

劉鑫 劉紫微 薛斌（新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

基于CFD模擬的天然氣運(yùn)輸過(guò)程泄露模擬研究

劉鑫 劉紫微 薛斌（新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

天然氣在管道運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，長(zhǎng)周期運(yùn)行及管道腐蝕等原因會(huì)造成天然氣泄漏，使得天然氣在高壓下易燃易爆。本文采用CFD數(shù)值模擬方法，模擬天然氣管道，獲得豐富的流動(dòng)及濃度場(chǎng)等特性的分布信息，為天然氣泄漏的預(yù)防和控制提供理論依據(jù)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甲烷泄漏到大氣中形成自由射流，甲烷在泄漏孔處出現(xiàn)較大速度，而后由于流域中空氣的阻力作用，使得射流作用減弱，流體向四周擴(kuò)散，流體的速度由中心向四周逐漸減弱。甲烷組分?jǐn)U散較快，在噴嘴附近易形成較高濃度的甲烷并迅速擴(kuò)散到流域中。甲烷在水平方向的擴(kuò)散要小于豎直方向，而且水平方向存在較大的濃度梯度。

CFD;天然氣;泄露

眾所周知，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及天然氣的應(yīng)用廣泛，天然氣管網(wǎng)的覆蓋范圍越來(lái)越大。在天然氣的利用過(guò)程中最主要的困難為天然氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。天然氣管道作為運(yùn)輸天然氣的經(jīng)濟(jì)方案之一，然而在管道運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，長(zhǎng)周期運(yùn)行及管道腐蝕等原因會(huì)造成天然氣泄漏，使得天然氣在高壓下易燃易爆，可能會(huì)造成較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。所以研究天然氣管道運(yùn)輸泄漏過(guò)程是預(yù)防和解決泄漏問(wèn)題的關(guān)鍵所在。隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱“CFD”）以及計(jì)算設(shè)備的日益強(qiáng)大，CFD數(shù)值模擬方法越來(lái)越廣泛的用于污染物擴(kuò)散過(guò)程的模擬研究。利用CFD模擬可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到豐富的流動(dòng)及濃度場(chǎng)特性的分布信息，還可以為天然氣泄漏的預(yù)防和控制提供理論依據(jù)。

1 模擬對(duì)象及工況設(shè)置

首先，利用CAD軟件進(jìn)行天然氣泄漏空域進(jìn)行幾何建模，如圖1所示。為了讓天然氣擴(kuò)散更充分，本文選用了1000 m× 1000 m的空域。泄漏區(qū)域在空域的下部中間位置，即天然泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)為長(zhǎng)度為0.1 m。由于天然氣的射流和組分的擴(kuò)散均發(fā)生在泄漏點(diǎn)附近，所以對(duì)泄漏點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了優(yōu)化。在泄漏點(diǎn)附近采用加密網(wǎng)格，而在流域的其他部分采用粗網(wǎng)格，這樣處理既保證了流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的計(jì)算精度的需要，粗細(xì)網(wǎng)格的搭配，減少了網(wǎng)格數(shù)目，也滿足計(jì)算速度的要求。其流域的網(wǎng)格劃分入圖2所示。

圖1.天然氣泄漏空域

圖2.網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型

流域流動(dòng)特性的模擬采用N-S方程描述，其適用于可壓縮粘性流體的流動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程如下：

氣體泄漏過(guò)程中不僅涉及氣體的流動(dòng)，還涉及組分的擴(kuò)散和對(duì)流。采用氣體組分的擴(kuò)散方程來(lái)描述。其中天然氣設(shè)甲烷為主要組分，泄漏點(diǎn)設(shè)為速度入口，質(zhì)量流率為50 kg/s，地表邊界設(shè)為無(wú)滑移邊界，其余三邊出口設(shè)置為壓力出口。天然氣和流域的初始化溫度均設(shè)為300 K。

3 結(jié)果分析和討論

天然氣管道產(chǎn)生裂縫，會(huì)導(dǎo)致高壓天然氣氣體從裂縫處高速射流進(jìn)入空域中。圖3和圖4是天然氣泄漏50 s后，氣體速度的分布云圖和甲烷組分的濃度場(chǎng)分布等高線。由圖3可知，甲烷泄漏到大氣中形成自由射流，甲烷在泄漏孔處出現(xiàn)較大速度，而后由于流域中空氣的阻力作用，使得射流作用減弱，流體向四周擴(kuò)散。流體的速度由中心向四周逐漸減弱，這是由于空氣和甲烷分子之間存在粘附力對(duì)天然氣的流動(dòng)造成較強(qiáng)的粘附作用。從圖4可以看出，甲烷組分?jǐn)U散較快，在噴嘴附近易形成較高濃度的甲烷并迅速擴(kuò)散到流域中。由于氣體在水平方向存在較小的速度且受空氣粘性力及阻力的影響，甲烷在水平方向的擴(kuò)散要小于豎直方向，而且水平方向存在較大的濃度梯度。

圖3 天然氣泄漏過(guò)程速度分布

圖4 天然氣擴(kuò)散過(guò)程甲烷濃度分布

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用CFD數(shù)值模擬方法模擬天然氣泄漏過(guò)程，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甲烷泄漏到大氣中形成自由射流，甲烷在泄漏孔處出現(xiàn)較大速度，而后由于流域中空氣的阻力作用，使得射流作用減弱，流體向四周擴(kuò)散，流體的速度由中心向四周逐漸減弱。甲烷組分?jǐn)U散較快，在噴嘴附近易形成較高濃度的甲烷并迅速擴(kuò)散到流域中，且甲烷在水平方向的擴(kuò)散要小于豎直方向，而且水平方向存在較大的濃度梯度。上述研究可以為天然氣泄漏的預(yù)防和控制提供理論依據(jù)。

劉鑫（1990-），新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，男、漢族、新疆維吾爾自治區(qū)，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向：油氣長(zhǎng)輸管道線路、工藝、站場(chǎng)