城鎮天然氣管道泄漏擴散的CFD模擬及后果分析

摘 要：隨著我國天然氣不斷的開發與普及，城市天然氣管道網絡變得非常復雜。因為城市天然氣管道網絡普遍鋪設在建筑物以及人口稠密地區，所以如果天然氣管道網絡泄漏引發事故，將會對城市建筑以及群眾生命安全造成嚴重損失。通過理論分析，建立了城市天然氣管道泄漏擴散模型。CFD數值模擬和實驗驗證，實驗結果和模擬結果均在允許誤差范圍內，掌握天然氣泄漏擴散規律，可以準確預測，評估和控制泄漏事故，從而減少天然氣管道事故的發生。

關鍵詞：城鎮燃氣;泄漏;CFD數值模擬;實驗論證

天然氣管道的爆炸過程的研究在實際中具有非常重要現實意義。根據計算機的技術、數學模型、爆炸學、熱學、流體分析力學，建立相關城市、街道天然氣管道網絡發生泄漏的模型以及擴散的模型[1]，通過CFD數值應用軟件模擬實際情況進行計算，通過計算結果分析管網泄露發生擴散的實際規律，并分析出管網擴散、滲漏出現危險的區域。使用相應的軟件對模擬所得結果加以驗證，從而獲得準確、快捷的CFD模擬分析計算方法，最終獲得管網泄露預防、應急處理的理論基礎。

1 CFD數值模擬手段及過程

1.1 CFD應用軟件綜述

利用CFD軟件進行處理要分以下步驟：①進行預處理工作;②進行求和;③進行最后的處理，分別由預處理器FLUENT，求解器GAMBIT和后處理器TECPLOT計算。

1.2 流體力學計算求解過程

流體力學的求解過程一般為：

①確定需要計算的相關目標。確定想要經過計算得到需要的結果;②選擇最佳的模型計算。使用簡化物理模擬模型，明確區域計算以及區域計算的標準條件;③利用FLUENT選擇需要的物理量模型，如選擇湍流物理量模型，確定其是非穩態還是穩態，確定模型是否進行能量的交換;④明確操作過程。明確是否能夠應用現有算法與公式進行求解，在求解的過程中是否進行參數的修改或者添加。

經過上述計算進行分析，將得到一個關于問題的判斷結果，如果通過上述分析明確了問題的原因，就能夠進行相應的模擬流程。

2 管道天然氣泄漏擴散的CFD數值模擬

2.1 GAMBIT建模及網格劃分

以城鎮典型道路，兩側均為建筑物的道路的天然氣管道網絡發生泄漏作為基礎，建立相應物理的模型。城鎮道路設定寬度是24m，城鎮建筑物設定高度是20m，燃氣管道建設在人行道中間位置，距離建筑物的右側2m。根據城市燃氣設計規范燃氣管道的頂部距離路面0.7m。假設地面上的氣體泄漏率等于天然氣管道的泄漏率，則可以簡化天然氣管道泄漏的幾何模型，因為天然氣是從底部泄漏端口直接泄漏到大氣中。選定天然氣管道的內部壓力為0.4MPa（相對壓力），管道的直徑為0.2m，泄漏孔為0.2m。

2.2 利用GAMBIT建立幾何模型

假設漏氣的裝置是圓形，而且漏氣部位位于其底部（設定是天然氣的進口位置）;設定建筑物高20m，寬度為10m;通過仿真計算分析得出壓力是0.4MPa，如果管道直徑0.2m的發生泄漏，其泄露的空間將達到160m3，能夠滿足模型計算的需求。因為如果燃氣管道直徑不同、燃氣壓力不同，其泄漏的燃氣量將會不同，泄露的空間也將不同。所以，相同幾何的模型無法達到計算的需求，必須依據實際情況進行相應模型的建立，從而得到準確的計算結果。在其余背景下的建模不在陳述，其建模的方式與思路可以參考下述情況。

3 FLUENT數值模擬計算

3.1 FLUENT求解器選擇

由于城市燃氣壓力大多低于1.6MPa，且燃氣溫度為常溫，因此該燃氣可被視為理想燃氣。本次模擬根據選擇壓力隱式方案進行模擬。在模擬過程中，除進行必要的求解設備類型的設之外，還要選擇Fiuent的模式進行計算。如，求解研究對象的空間模型是二維的，在進行選擇空間的項目中，應選擇二維2D，進行選擇時間的項目中，要選擇時間模型的特征。

3.2 2FLUENT的環境運行設置

在2FLUENT環境操作設計過程中，必須對兩個進行選項設置，從而通過計算獲得重力以及壓力參數。FLUENT中的壓力是指參考工作壓力的壓力相對值。在進行模擬的過程中，壓力參考值是環境大氣的壓力，本壓力數值被設為101325Pa標準的大氣壓。選擇默認的壓力參考位置是0。在進行模擬燃氣泄漏環境為大氣中擴散，必須要考慮浮力與重力對其擴散影響。設定條件運行的選項中要選擇重力條件，另外還要指定Z向重力分量加速度數值為-9.812m每秒。環境空間的密度要采用大氣密度值0.225kg/m3。

3.3 FLUENT初始條件和邊界條件設置

①入口邊界條件：在此模擬中，要選擇質量流作為邊界入口條件。依據上面計算的0.4MPa壓力，燃氣管線直徑在200mm時，泄漏將達到5.75kg/s，可以將這些參數輸入在FLUENT中。矢量流動的方向x將設置成0，方向y將設置成1，在入口把燃氣體積設置成1;②出口條件邊界上的選擇：在實際燃氣泄漏過程中，大氣里沒有燃氣擴散、泄漏出口的邊界，可是針對計算數值時，會有很大并且有限空間泄漏條件進行假設，所以，無形中形成了和大氣關聯的邊界出口參數，出口壓力就是設定的邊界出口參數，其參數為標準的大氣壓力101325Pa;③表面邊界條件的確定：選擇wall為壁面邊界條件。

4 CFD模擬結果及影響因素分析

4.1 非穩態模擬結果分析

當天然氣管道發生泄漏時，天然氣會從泄漏孔噴到環境大氣中。因為空氣與燃氣密度存在密度的差異，燃氣會快速夾雜空氣迅速擴大泄漏的范圍，如下圖1中分布擴散示意圖。

因為泄露氣體沒有障礙阻擋其擴散，因此，軸線射流兩邊的壓力將處于平衡，燃氣的分布將沿射流中心線兩側對稱進行分布。通過體積等高線分數圖能夠看出，射流的中心其燃氣分數的體積是100%，而且顯現逐漸降低的態勢。在2.1m的高度處，體積分數減小到5%。隨著進一步擴散，擴散范圍變得越來越大。如果遇到障礙物，天然氣流量將發生變化，如圖1所示，甲烷濃度分布時t=10s和t=40s。因為燃氣存在一定的夾雜空氣或者障礙物阻礙作用的影響，射流的中心與空氣周圍沒有達到可用空間進行維持射流兩側壓力的平衡，從而導致射流右側壓力隨之變小，并且射流的中心線會發生向右偏斜。

4.2 模擬穩態結果的分析

燃氣管線網絡壓力為0.4MPa，管線直徑為0.2m，泄漏的孔徑為0.2m，燃氣泄漏時，在大氣中出現射流，泄漏位置的周圍將形成高濃度燃氣混合氣體，但是其分布的面積很小。因為燃氣與空氣密度存在差異，所以，燃氣的擴散速度快。隨著泄漏擴散的不斷進行，燃氣分布擴散面積將不斷增大，泄漏的濃度與速度將隨之衰減。

5 結論

影響天然氣泄漏擴散的因素很多，分析非常復雜。因此，現在將這些影響因素分別分類和分析。分類如下：環境因素，管道因素，介質因素，氣源因素和泄漏因素。這些因素中的每一個都包含許多影響因素。泄漏擴散范圍隨泄漏孔和管道壓力的增加而增加;建筑物對天然氣的擴散具有舉升作用，建筑物的高度僅影響障礙物上方的區域。

參考文獻：

[1] 毛小虎，郝永梅，邢志祥，嚴欣明.城市天然氣管道動態泄漏擴散特性模擬分析[J].油氣儲運，2014，33（04）：374-379.

作者簡介：

張建亮（1984- ），男，籍貫：山西省原平市，2009年7月畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業，大學本科學歷，工程師，從事天然氣管道集輸、城鎮燃氣輸配等工作。