城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散模型及數(shù)值模擬

趙 然

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散模型及數(shù)值模擬

趙 然

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬孤╊A(yù)防與綜合評(píng)價(jià)中必須要用到的泄漏模型，分析了泄漏源模型、擴(kuò)散模型、及數(shù)值模擬，以此為確保城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋\(yùn)行安全提供依據(jù)。

燃?xì)夤艿溃恍孤恍孤┰茨Ｐ停粩U(kuò)散模型；數(shù)值模擬

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿涝诠懿睦匣⒏g加劇、焊縫、施工擾動(dòng)等因素的影響下容易產(chǎn)生破損和泄漏，而燃?xì)庑孤┎粌H會(huì)造成事故，還會(huì)嚴(yán)重污染城市環(huán)境。因此，做好預(yù)防和評(píng)價(jià)工作至關(guān)重要，而在此過(guò)程中離不開(kāi)對(duì)于泄漏擴(kuò)散模型的應(yīng)用。

1 泄漏源模型與數(shù)值模擬

1.1 小孔泄漏

小孔泄漏的模型一般用在穿孔泄漏中，造成穿孔泄漏的主要原因?yàn)楣艿朗芨g影響而穿孔，導(dǎo)致管道內(nèi)燃?xì)庀蛲庑孤Ｈ細(xì)庠谕ㄟ^(guò)孔洞時(shí)的質(zhì)量流量可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中，Q表示燃?xì)庠谕ㄟ^(guò)孔洞時(shí)的質(zhì)量流量，單位：kg/s；C0表示泄漏系數(shù)，通常取0.6～1.0，與孔洞形狀有關(guān)；A表示孔洞的面積，單位：m2；p2表示泄漏點(diǎn)對(duì)應(yīng)管道中心位置的壓強(qiáng)，單位：Pa；M表示燃?xì)饽栙|(zhì)量，單位：kg/mol；k表示燃?xì)鉄崛郾龋籘2表示泄漏點(diǎn)對(duì)應(yīng)管道中心位置的溫度，單位：K；pa表示環(huán)境壓強(qiáng)，單位：Pa；R為理想氣體常數(shù)，8.314kJ/（kmol·K）。

1.2 管道泄漏

管道泄漏的模型一般用在開(kāi)裂泄漏中，造成開(kāi)裂泄漏的主要原因?yàn)楣艿烙捎谑艿匠瑝号c外力而發(fā)生破裂，是典型的大面積泄漏，通常情況下泄漏口的面積可達(dá)80%～100%管道截面積[1]。一旦發(fā)生開(kāi)裂泄漏，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)泄漏大量燃?xì)猓矔r(shí)降低管道氣壓。質(zhì)量通量可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中，G表示質(zhì)量通量，單位：kg/（m2·h）；m表示燃?xì)赓|(zhì)量流量，單位：kg/s；Yg表示燃?xì)馀蛎浵禂?shù)；gc表示重力常數(shù)；p1表示燃?xì)饷芏龋瑔挝唬簁g/m3；p1表示上游燃?xì)獾膲毫Γ瑔挝唬篜a；p2表示下游燃?xì)獾膲毫Γ瑔挝唬篜a；∑Kf表示差損失項(xiàng)，也可以使用4fL和d的商來(lái)代替，其中f表示摩擦系數(shù)，d表示內(nèi)徑，L表示管長(zhǎng)，單位：m。

1.3 動(dòng)態(tài)泄漏

現(xiàn)實(shí)狀況中，如果管道發(fā)生了泄漏事故，會(huì)在一段時(shí)間以后由管理人員關(guān)閉氣源，而且自動(dòng)控制閥也會(huì)檢測(cè)到泄漏而自動(dòng)關(guān)閉氣源，以此減少泄漏，直至停止，這就是一個(gè)動(dòng)態(tài)泄漏的過(guò)程。在氣源被關(guān)閉之后，管道中依然存在燃?xì)猓藭r(shí)管道動(dòng)態(tài)泄漏率可表示為：

式（3）中，Q（t）表示管道動(dòng)態(tài)泄漏率；V0表示管道的體積，單位：m3；ρ表示燃?xì)饷芏龋瑔挝唬簁g/m3；t表示泄漏持續(xù)時(shí)間，單位：s。

2 泄漏和擴(kuò)散模型及數(shù)值模擬

城鎮(zhèn)燃?xì)庵饕N類型，分別為煤氣、天然氣和液化石油氣。其中，煤氣與天然氣的密度比空氣小，發(fā)生泄漏之后伴隨空氣擴(kuò)散；而液化石油氣由于其密度大于空氣，所以在發(fā)生泄漏后會(huì)進(jìn)行重氣擴(kuò)散。由于燃?xì)庑再|(zhì)有所不同，因此應(yīng)建立不同模型。

2.1 煤氣與天然氣泄漏擴(kuò)散

該模型可在產(chǎn)生釋放以后的氣體和空氣相互混合，同時(shí)使混合氣體具備一定中性浮力之后計(jì)算下風(fēng)向不同位置氣體濃度。設(shè)風(fēng)向?yàn)閤軸，風(fēng)速穩(wěn)定表示為u，則氣體在H高處的濃度計(jì)算公式為：

式（4）中，＜C＞表示氣體平均濃度，單位：g/m3；G表示泄漏率，單位：kg/s；σ表示在不同方向上的濃度的偏差標(biāo)準(zhǔn)值；u表示風(fēng)速，單位：m/s；x為下風(fēng)向；y表示風(fēng)向在垂直方向上的距離，單位：m；z表示距里面距離，單位：m；H表示泄漏源高度，單位：m。

2.2 石油液化氣泄漏擴(kuò)散

密度比空氣大的氣體為重氣，目前對(duì)于重氣的擴(kuò)散模型主要將箱模型作為基礎(chǔ)而建立。但無(wú)論是箱模型還是高斯模型，都存在一定局限性。對(duì)此，為精確模擬重氣在環(huán)境中的擴(kuò)散，可利用CFD法對(duì)其三維非定常態(tài)湍流流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬。將泄漏的燃?xì)庖曌鞑豢蛇M(jìn)行壓縮的流體，而其溫度和室溫完全相同，采用雙方程模型對(duì)燃?xì)鈹U(kuò)散規(guī)律進(jìn)行描述，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況建立邊界條件控制方程的解，即可獲得整個(gè)泄漏場(chǎng)所中，泄漏燃?xì)獾乃俣确植寂c濃度分布。此外，采用FLUENT，在軟件中構(gòu)建燃?xì)庑孤﹫?chǎng)所幾何特征模型，并借助動(dòng)量方程模型與現(xiàn)有參數(shù)，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。

3 結(jié)束語(yǔ)

一般而言，不同模型可以組合使用，以此取長(zhǎng)補(bǔ)短。現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有完美的模型，在科技快速發(fā)展的進(jìn)程中，研究、建立更能真實(shí)反映實(shí)際情況的模型是燃?xì)夤艿佬孤┓治龅闹匾l(fā)展方向，同時(shí)也是評(píng)價(jià)燃?xì)夤艿佬孤┖笪：Τ潭鹊钠惹行枰?/p>

[1] 王鶴超，吳明，楊蕊，等.建筑群外埋地燃?xì)夤艿佬孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估[J].石油與天然氣化工，2015，（01）：93-98.

Leakage and Diffusion Model of Urban Gas Pipeline and Its Numerical Simulation

Zhao Ran

Aiming at the leakage model which must be used in the prevention and comprehensive evaluation of urban gas pipeline leakage，the paper introduces and analyzes the leakage model and diffusion model respectively，and provides the basis for ensuring the safety of urban gas pipeline operation.

gas pipeline；leakage；leakage source model；diffusion model；numerical simulation

TE88

A

1003–6490（2017）10–0166–01

2017–07–20

趙然（1988—），女，吉林長(zhǎng)春人，工程師，主要研究方向?yàn)槌擎?zhèn)燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)、燃?xì)庑孤U(kuò)散模擬。