室內(nèi)天然氣泄漏的數(shù)值模擬及后果分析

王崗

（重慶市合川區(qū)經(jīng)濟(jì)和信息化委員會，重慶 401520）

1 前言

近年來，人工煤氣、液化氣、天然氣等清潔能源，已經(jīng)成為城市居民生活燃料的主力，隨著環(huán)保要求的逐步提高，工業(yè)領(lǐng)域?qū)η鍧嵞茉吹氖褂梅秶苍诓粩鄶U(kuò)大。但是，同時，氣體燃料易泄漏，也易燃易爆，當(dāng)可燃?xì)怏w在室內(nèi)有限的空間（比如廚房）發(fā)生泄漏時，有發(fā)生火災(zāi)和爆炸的危險。我們都知道，氣體比重不同，加上門窗等通風(fēng)條件有限制，室內(nèi)的燃料濃度分布會有—個非均勻的變化過程，并且，氣體達(dá)到燃燒著火和爆炸時要達(dá)到一定濃度界線。所以，本文提出，系統(tǒng)地科學(xué)地研究室內(nèi)燃?xì)庑孤┑陌l(fā)展和擴(kuò)散過程，直到爆炸發(fā)生的危險性，對于防止火災(zāi)發(fā)生和危險防控具有重要的意義。目前，可燃?xì)怏w在室外的泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行的研究很多，例如，方自虎對城市共同溝內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散過程的模型試驗與數(shù)值仿真。Young-Do Jo等提出了一種簡單模型，描述高壓管網(wǎng)危險氣體泄漏速率。但這些研究大多是針對大氣環(huán)境和燃?xì)飧邏汗芫W(wǎng)。當(dāng)然，也有對室內(nèi)天然氣泄漏的研究范例，例如，重慶大學(xué)黃小美等對室內(nèi)天然氣泄漏后的濃度場及可燃區(qū)域分布進(jìn)行了實驗驗證和數(shù)值模擬，并對室內(nèi)天然氣泄漏做了較為完善的研究，但在模擬廚房這種狹窄空間的天然氣泄漏沒有考慮窗戶開啟及室外風(fēng)速對天然氣擴(kuò)散的影響，也沒有考慮當(dāng)?shù)靥鞖鈿庀髼l件對然氣泄漏的相關(guān)影響。本文綜合了已有研究成果，聚焦精準(zhǔn)確定燃?xì)庑孤┛赡茉斐傻膿p失以及發(fā)展趨勢，在不同的氣象條件和不同房間（廚房等）環(huán)境因素，得出不同月份、不同季節(jié)、不同溫度下對室內(nèi)燃?xì)鉂舛茸兓挠绊懀沟帽疚牡难芯砍晒哂鞋F(xiàn)實參考價值。

2 數(shù)值計算模型

2.1 幾何模型

如圖1，本文模擬廚房長、寬、高分別為4000mm、2000mm和2500mm；廚房門的高、寬為2000mm和800mm；窗戶的高和寬分別為1200mm和1000mm，窗戶底邊到地高度為1000mm。燃?xì)庑孤┪恢迷陂T對面墻壁上，離地面的高度為1000mm，取值《城鎮(zhèn)燃?xì)馐覂?nèi)工程施工及驗收規(guī)范》(CJJ 94-2003)，天然氣管道的內(nèi)徑為20mm。

利用Gambit建模軟件建立如圖1所示的廚房的三維模型。燃?xì)庑孤┛谛螤钤O(shè)為圓形，位置在后壁面上；廚房門的位置在前壁面上，可視為逃生出口。模擬過程中，門和窗都同時開啟或關(guān)閉，不同的情況設(shè)置為不同類型的出口，除了門窗和泄漏點，剩余的壁面都為不可穿的墻體。建模后用Gambit自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格之間的距離設(shè)為40mm。

圖1 廚房的幾何模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

空氣和天然氣在房間內(nèi)充分混合，基本控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

組分方程：

2.3 數(shù)值計算設(shè)置

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(GB 50028—93)規(guī)定，燃?xì)夤艿赖哪┒藟毫?.1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。低壓工況下，將天然氣流動設(shè)為不可壓縮流動，因此，在Fluent中選擇分離式求解器；根據(jù)三維非穩(wěn)態(tài)一階隱式模式（計算模式），空氣與天然氣密度不同，需要開啟重力項。采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型為計算模型；開啟能量方程、組分輸運模型。泄漏口定義為氣體速度入口，溫度為300K。將天然氣等視為甲烷，所以進(jìn)口天然氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義為1；由于低壓天然氣泄漏對廚房以及相關(guān)密閉空間內(nèi)氣壓影響非常微小，所以出口選為1個大氣壓的壓力出口邊界條件。離散格式除算法外均取默認(rèn)值，算法選擇為PISO算法。泄漏口的流速設(shè)為15m/s。整個流場中，天然氣初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0，氧氣的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0.233。迭代的時間步長設(shè)置為5s，迭代次數(shù)設(shè)置為1000次。重慶屬于夏熱冬冷，冬季不采暖。冬季和夏季時室內(nèi)外溫差較大，房間通風(fēng)量受到風(fēng)壓和熱壓共同作用，春季和秋季是過渡季，室內(nèi)外溫差基本很小，熱壓作用有限，只考慮風(fēng)壓的作用。本文以2007年重慶市各月的室內(nèi)室外空氣參數(shù)（取自《中國統(tǒng)計年鑒》）進(jìn)行計算，詳見表1。

表1

本文考慮外界風(fēng)速是房間處于負(fù)壓區(qū)、天然氣為正壓區(qū)，當(dāng)天然氣在廚房泄漏時的擴(kuò)散情況，當(dāng)房間處于正壓時，廚房門邊界條件設(shè)置為壓力入口，表壓設(shè)置為10Pa，窗戶設(shè)置為出口；當(dāng)房間處于負(fù)壓時，廚房窗邊界條件設(shè)置為速度入口，取風(fēng)速為1m/s，門設(shè)置為出口。依次進(jìn)行迭代計算。

3 天然氣泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 房間處于負(fù)壓

房間處于負(fù)壓時，室外空氣通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，如圖所示，圖2為t=500s時廚房內(nèi)天然氣擴(kuò)散情況。由于天然氣密度比空氣小，所以天然氣會在上層空間聚集，天然氣濃度隨高度增加而增加，泄漏口附近的天然氣濃度分布受室外氣流的影響，向廚房入口側(cè)偏移。廚房入口側(cè)天然氣濃度比較高。從圖中還可以看出，窗戶頂部空間天然氣濃度比較高，這是由于窗戶有氣流進(jìn)入，同時與周圍空氣形成渦流卷吸效應(yīng)。圖3是X=2m處截面上天然氣濃度分布，可以很清楚地看出天然氣在垂直方向上的分層分布。

圖2 t=500s時天然氣濃度分布

圖3 t=500s時X=2m 截面天然氣濃度分布

天然氣體積分?jǐn)?shù)的爆炸極限為0.05～0.15，換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的爆炸極限為0.0284～0.0892，天然氣的濃度均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示。圖4、圖5、圖6分別是t=300s，t=500s，t=1500s時天然氣可燃區(qū)域范圍，可以看出，隨著時間推移可燃區(qū)域范圍越來越大，尤其是廚房出口門附近的天然氣可燃區(qū)域范圍較大。

圖4 t=300s時天然氣可燃區(qū)域

圖5 t=500s時天然氣可燃區(qū)域

圖6 t=1500s時天然氣可燃區(qū)

3.2 房間處于正壓

在夏季，室外溫度低高于室內(nèi)，由于熱壓的作用，窗戶成為出風(fēng)口，而門變成壓力入口，如圖7所示，為t=500s時廚房內(nèi)天然氣濃度分布情況，可以看出，門周邊區(qū)域天然氣含量低，天然氣濃度分布偏向窗戶側(cè)。圖8是天然氣在X=2m處截面的濃度分布，明顯可以看出其濃度場較圖3混亂，可能是由于門開口不規(guī)則導(dǎo)致廚房內(nèi)部氣流流場不規(guī)則導(dǎo)致的。

圖7 t=500s時天然氣濃度分布

圖8 X=2m處截面天然氣濃度分布

如圖9～11所示，天然氣可燃區(qū)域隨時間在窗附近迅速擴(kuò)大，但在t=1500s時與t=1000s時相比，其可燃區(qū)域變小，可以看出，房間處于正壓時更有利于稀釋天然氣濃度。

圖9 t=300s時天然氣可燃區(qū)

4 結(jié)語

本文分別對房間處于負(fù)壓、正壓時廚房內(nèi)天然氣濃度分布及其可燃區(qū)域范圍進(jìn)行了數(shù)值計算模擬。我們可以得到以下結(jié)論：房間處于負(fù)壓時，由于熱壓及風(fēng)壓的作用，室外空氣從窗流入廚房內(nèi)，其加速了泄漏的天然氣向流動出口門的擴(kuò)散，當(dāng)門開啟時，擴(kuò)散的天然氣就會很快擴(kuò)散進(jìn)入臥室、客廳等室內(nèi)空間，發(fā)生事故的概率就更大。

當(dāng)房間處于正壓時，此時室內(nèi)氣流主要受熱壓的作用，室內(nèi)空氣通過窗流向室外，室內(nèi)空氣流動使得泄漏的天然氣在室內(nèi)迅速地擴(kuò)散，尤其在流動出口窗附近天然氣濃度較高，之后天然氣經(jīng)窗戶向室外空間擴(kuò)散，天然氣濃度下降，可燃區(qū)域減小，可以看出，窗戶的開啟對預(yù)防室內(nèi)天然氣泄漏導(dǎo)致的爆炸是有益的。故房間處于正壓且窗戶開啟時是最有利的。

圖10 t=1000s時天然氣可燃區(qū)

圖11 t=1500s時天然氣可燃區(qū)