管廊內泄漏口朝向對天然氣管道泄漏擴散影響的模擬分析*

雷 鵬，陳長坤，史聰靈，陳 杰，趙冬月，趙小龍

(1.中南大學 防災科學與安全技術研究所,湖南 長沙 410075；2.中國安全生產科學研究院 地鐵火災與客流疏運安全北京市重點實驗室，北京 100012；3.清華大學合肥公共安全研究院 災害環(huán)境人員安全安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601 )

0 引言

隨著城市化水平不斷提高，我國管廊建設發(fā)展迅速[1]。國務院辦公廳指出，推動城市地下綜合管廊建設，解決管線事故頻發(fā)等問題，有利于保障城市安全，促進城市集約高效和轉型發(fā)展[2]。但在提高城市韌性同時，管廊存在潛在安全隱患，尤其是管道破裂、燃氣泄漏引發(fā)的火災以及爆炸事故[3-4]，例如2013年青島輸油管線維修過程中發(fā)生爆炸，造成62人死亡[5]。管廊建設費用遠大于采用明挖法鋪設管道成本[6]，一旦發(fā)生爆炸，勢必造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，對管廊內高壓燃氣管道氣體泄漏展開研究十分必要。

國內外學者利用數(shù)值模擬、小尺寸實驗等方法研究綜合管廊內燃氣泄漏、擴散，并開展危險性評價，考慮變量包括管道壓力、泄漏口孔徑和形狀、通風條件等[7-12]。部分學者針對泄漏口朝向對泄漏氣體分布影響開展研究：文獻[13-14]模擬截面為0.3 m×0.3 m長方體內不同泄漏口朝向(向上泄漏和水平泄漏)對管廊內氣體分布影響，并用小尺寸實驗數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模擬準確性；劉秀秀[15]搭建縮尺寸實驗臺，使用N2在CO2中擴散模擬管道泄漏，對比泄漏口朝上和朝左時管廊內關鍵位置處濃度分布；萬留杰等[16]考慮6個不同位置泄漏點一段時間內甲烷氣體分布情況，發(fā)現(xiàn)甲烷分布與泄漏點位置、通風情況等因素有關。

在分析泄漏口朝向對氣體泄漏擴散影響時，多數(shù)研究只考慮向上泄漏和水平泄漏2種情景，忽略其他泄漏情況。此外，實際運營場景中，為便于檢修，管道位置通常靠近一側壁面，因此水平泄漏場景中需將靠近壁面一側和遠離壁面一側分別考慮，以往研究主要給出定性氣體分布情況。因此，本文以甲烷為研究對象，擬通過對不同泄漏口朝向天然氣泄漏過程進行3維數(shù)值模擬，得到管廊內天然氣管道泄漏時氣體濃度隨時間變化規(guī)律，研究結果可為管廊內部設計及相關事故預防和應急救援提供參考。

1 隧道模型的建立

1.1 物理模型及測點布置

以某管廊為原型建立物理模型，該管廊長寬高分別為100，2.4，3.8 m，計算域橫截面和ISO視圖如圖1所示。設計參數(shù)滿足《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838—2015)技術要求。為減少計算量，僅考慮模型1/2，選取XOY平面為對稱面。發(fā)生泄漏燃氣管道橫截面圓心高1 m，距離管廊左壁面0.6 m，半徑0.25 m。使用ICEM劃分結構化網(wǎng)格，拆分BLOCK以逼近圓管和泄漏口幾何，然后對泄漏口附近網(wǎng)格進行加密；本文不研究管道內部流場，因此刪除代表管道內部區(qū)域的BLOCK；最后生成的網(wǎng)格最小正交質量均大于0.3，符合計算要求。

圖1 物理模型及測點Fig.1 Physical model and measurement points

在模型對稱面附近管道表面分別設置朝向為Y軸正方向(Y+方向，泄漏口豎直朝上)、Y軸負方向(Y-方向，泄漏口豎直朝下)、X軸正方向(X+方向，泄漏口水平朝遠壁面一側)和X軸負方向(X-方向，泄漏口朝近壁面一側)的4個泄漏孔。天然氣管道泄漏主要原因是腐蝕，腐蝕造成管道減薄、縮頸直至穿孔。實際運營中，腐蝕造成的泄漏孔從“沙眼大小”到大面積破壞均有涉及。結合整個計算域大小，本文將泄漏孔設置為半徑25 mm的圓口，屬大孔泄漏，相對位置如圖1(b)所示。

《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》(GB/T 50493—2019)規(guī)定[17]，釋放源處于封閉廠房或局部通風不良的半敞開廠房內，可燃氣體探測器覆蓋范圍內任一釋放源的水平距離不宜大于5 m。模擬中測點的水平間距為7.5 m，以驗證此種情況下規(guī)范的合理性。因此，在管廊中央縱截面z分別為0,7.5,22.5,37.5 m處設置測點，以監(jiān)測該點濃度變化并計算報警器響應時間。

1.2 初始條件及參數(shù)設置

初始條件下，管廊中充滿常溫常壓空氣。假設計算過程中泄漏口處壓力不變，且始終為0.4 MPa，甲烷氣體在流動過程中不與空氣發(fā)生化學反應。管廊壁面和管道壁面為無滑移壁面，管廊一端出口為壓力出口，出口壓力為1個大氣壓，另外一端為對稱邊界；泄漏口為壓力出口，出口壓力為0.4 MPa，為減少計算量，忽略泄漏過程中溫度變化，溫度恒定為300 K。恒定溫度300 K下，2種氣體流動參數(shù)見表1。

表1 氣體流動參數(shù)Table 1 Flow parameters of gases

Realizablek-ε湍流模型能夠有效模擬射流和混合流等流動狀態(tài)，因此，本文采用Realizablek-ε湍流模型描述氣體泄漏后流動狀態(tài)。甲烷在空氣中的運動實際上是1個擴散和混合過程，涉及組分輸運，因此使用組分運輸方程求解。采用壓力求解器求解連續(xù)性方程、動量方程和組分方程，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，空間差分方法選用2階迎風格式。時間步長0.1 s，計算總物理時長300 s，每個時間步最大迭代數(shù)50。

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB/T 50838—2015)[18]，地下綜合管廊中天然氣報警濃度設定(上限值)不應大于其爆炸下限值(體積分數(shù))的20%。甲烷氣體爆炸極限為5%～15%(體積分數(shù))，爆炸下限濃度的20%為報警濃度，則報警濃度為1%(體積分數(shù))，轉換為質量分數(shù)約為0.6%。

1.3 網(wǎng)格獨立性驗證

模擬前首先進行網(wǎng)格獨立性驗證。使用4種不同尺寸網(wǎng)格進行計算，網(wǎng)格總數(shù)分別為38，75，180，205萬，將距離泄漏點7.5，22.5 m處測點濃度數(shù)據(jù)進行對比，如圖2所示。由圖2可知，隨網(wǎng)格尺寸增加，相鄰網(wǎng)格尺寸結果間差距逐漸減小。其中，180萬網(wǎng)格計算結果與205萬網(wǎng)格計算結果差距較小，后續(xù)使用該套網(wǎng)格進行計算。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸在同一位置處甲烷質量分數(shù)Fig.2 Calculated values of concentrations at same position under different grid sizes

2 結果及分析

2.1 不同泄漏孔朝向下的管廊內氣體濃度分布

氣體探測器布置于管廊頂棚縱向不同位置處，因此本文重點關注氣體縱向濃度分布。不同泄漏口朝向下管廊中央縱截面(x=1.2 m)處甲烷濃度隨時間變化云圖如圖3所示。濃度場關于泄漏孔對稱分布，因此只給出一側(z>0)云圖。由圖3可知，不同泄漏孔位置下氣體濃度分布具有相似性。不同工況中，泄漏發(fā)生后，甲烷氣體均向兩側擴展，并在浮力作用下逐漸占據(jù)管廊上方空間；尤其在泄漏孔附近一定范圍內，甲烷氣體在整個截面分布均勻，沒有出現(xiàn)明顯分層；當大于該范圍時，氣體出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

氣體泄漏后以較高的速度噴出形成射流，射流附近有強烈的空氣卷吸，在泄漏口附近一定范圍內渦量較大，造成強烈氣體摻混。濃度分布與流場密切相關，70 s時各工況中縱截面速度流線如圖4所示。由圖4可知，在泄漏口附近一定范圍內均有較大渦量，如泄漏孔方向為X+方向時，在14 m處形成渦團，豎向物質輸運能力強，引起泄漏的氣體在高度方向上較均勻；當大于14 m時，甲烷氣體與管廊端口進入空氣相遇，受浮力作用被抬升，主要分布在管廊上方。因此，管廊縱截面上氣體分布主要包括泄漏口附近均勻區(qū)和較遠分層區(qū)2個區(qū)域。

圖3 管廊中央縱截面特定時刻甲烷氣體質量分數(shù)Fig.3 Cloud diagram of methane concentration at specific time in central longitudinal section of utility tunnel

圖4 不同泄漏口朝向泄漏后70 s時管廊中央縱截面速度流線Fig.4 Velocity streamlines in central longitudinal section of utility tunnel at 70 s after leakage with different leakage opening orientations

泄漏口朝向影響管廊內均勻區(qū)縱向長度。由圖3可知，當泄漏口方向為Y+和Y-時，均勻區(qū)縱向擴展范圍基本穩(wěn)定在距泄漏口20 m處；當泄漏口方向為X+和X-時，均勻區(qū)縱向擴展范圍較小，在距泄漏口15 m處。這是由于當泄漏口方向為X+和X-時，氣體在豎直方向幾乎沒有動量；Y方向泄漏口豎直方向動量較大，在流動初期慣性力相對浮力較大，能夠引起高度方向強烈的氣體摻混，導致均勻區(qū)縱向范圍擴大。

2.2 探測器高度上甲烷濃度縱向分布規(guī)律

云圖可以反映煙氣流場流動模式，但無法定量反映甲烷氣體濃度。由于探測器布置于管廊頂棚附近，本文重點關注頂棚下方探測器高度上甲烷縱向濃度分布情況。不同泄漏口朝向時，特定時刻管廊頂棚下方縱向濃度分布如圖5所示。由圖5可知，在泄漏口附近一定范圍內，氣體縱向濃度分布呈階梯狀。這是由于強烈的氣體摻混使甲烷和空氣間擴散系數(shù)增大，距離泄漏口約20 m范圍內頂棚下方氣體縱向濃度分布呈階梯狀分布，該區(qū)域對應均勻區(qū)。

均勻區(qū)內濃度分布特點對氣體探測器布置具有參考意義。管廊中每臺探測器保護半徑為7.5 m，即在距離探測器7.5 m處發(fā)生泄漏，均勻區(qū)內階梯狀濃度分布使探測器處氣體質量分數(shù)不至于太低，有利于探測報警，同時驗證探測器間距合理性。

由圖5可知，當距離泄漏口位置大于20 m時，頂棚濃度分布對應分層區(qū)。在分層區(qū)內，氣體距泄漏口有一定距離，甲烷氣體主要受浮力作用，因此不同泄漏口朝向對濃度縱向分布影響有限。甲烷氣體運動視為1維不可壓。取流動方向微元體進行分析，在較短時刻內流動視為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)下微元體內對流和擴散引起濃度變化為零，甲烷質量分數(shù)控制方程如式(1)所示：

圖5 不同泄漏口朝向泄漏后特定時刻頂棚下方甲烷氣體質量分數(shù)分布Fig.5 Longitudinal distribution of methane concentration under ceiling at specific time after leakage with different leakage opening orientations

(1)

式中：f為甲烷質量分數(shù)；D為甲烷氣體在空氣中擴散系數(shù)，m2/s；ρ為甲烷氣體密度，kg/m3。對式(1)進行積分得到式(2)：

(2)

式中：C1和C2均為常數(shù)。

由式(2)可知，穩(wěn)態(tài)下管廊上方甲烷氣體濃度隨距泄漏口距離增加而呈指數(shù)衰減，因此瞬態(tài)時甲烷氣體濃度大致符合上述分布規(guī)律。取20 m處質量分數(shù)和隧道寬度作為特征值，對數(shù)據(jù)進行無量綱化，繪制特定時刻70，100，150，300 s不同泄漏口朝向情況下甲烷氣體濃度縱向分布，如圖6所示。

由圖6可知，不同時刻甲烷氣體濃度縱向分布大致服從指數(shù)衰減規(guī)律。這是因為氣體逐漸趨近穩(wěn)態(tài)分布。縱向濃度衰減半經(jīng)驗公式如式(3)所示：

圖6 不同泄漏口朝向泄漏后特定時刻頂棚下方甲烷氣體質量濃度分布(泄漏口20 m外)Fig.6 Longitudinal distribution of methane concentration under ceiling at specific time after leakage with different leakage opening orientations (20 m away from leakage opening)

(3)

結合式(3)及氣體探測器濃度，結合頂棚下方濃度分布特點可大致確定泄漏口徑向位置。

2.3 探測器響應情況

泄漏發(fā)生后，探測器報警響應時間是衡量管廊內安全性重要指標之一。根據(jù)規(guī)定將報警濃度設為甲烷爆炸下限的20%，即0.6%。泄漏處上方(z=0 m處)及距泄漏處7.5 m處(z=7.5 m)2測點處甲烷濃度隨時間變化如圖7所示。

泄漏發(fā)生時，Y+方向泄漏孔氣體豎直向上噴出，探測器濃度上升相對較快；Y-方向泄漏孔泄氣體豎直向下運動，最晚到達探測器處，所以Y-方向探測器濃度開始上升時間滯后。

考慮最不利工況即泄漏孔正好處于2探測器中間(z=7.5 m)位置。由圖7可知，z=7.5 m處探測器氣體質量分數(shù)呈不同規(guī)律，泄漏口方向為X+時，氣體濃度上升時間相對較遲，約7 s后探測器發(fā)生響應。這是由于天然氣管道橫向位置靠近一側壁面導致。與泄漏口其他方向相比，泄漏口方向為X+時高壓氣體噴出后，與空氣接觸時間較長，產生渦旋相對較多且強烈，使氣體在管廊縱截面方向速度衰減較大，與圖3中云圖結果一致。

圖7 不同位置探測器處甲烷氣體質量分數(shù)隨時間變化Fig.7 Change of mass fractions of detectors at different locations with time

3 結論

1)管廊內天然氣管道泄漏后形成射流卷吸附近空氣，造成強烈的氣體摻混，降低泄漏口附近氣體濃度梯度；氣體運動過程中，隨距泄漏孔距離增加，受慣性力作用小于浮力，在浮力作用下抬升，主要分布于管廊上方；管廊縱截面氣體分布主要分為泄漏口附近均勻區(qū)和較遠分層區(qū)2個區(qū)域。

2)渦旋的存在使均勻區(qū)內探測器高度上氣體質量分數(shù)縱向分布呈階梯狀。距泄漏口較遠距離(約20 m外)，泄漏口朝向對探測器高度上氣體濃度縱向分布影響較小。通過分析穩(wěn)態(tài)時氣體分布控制方程，提出氣體在分層區(qū)內縱向分布符合指數(shù)衰減規(guī)律。基于模擬數(shù)據(jù)，提出分層區(qū)內氣體質量分數(shù)縱向分布半經(jīng)驗關系式，參考氣體探測器濃度，結合頂棚下方濃度分布特點大致確定泄漏口徑向位置。

3)泄漏口朝向對探測器響應情況有一定影響。若泄漏口位于2探測器中央，泄漏孔方向為X+(距離管廊壁面較遠側)時，氣體噴出后與空氣接觸時間長，產生渦旋較多且渦量較大，縱向蔓延緩慢，探測器報警響應時間較長。因此在管廊實際運營中，應重點關注距離壁面較遠一側發(fā)生的小孔泄漏。

4)在管廊設計階段，應重點考慮高壓燃氣管道與其他管道及管廊壁面間相對位置，結合報警器反應時間合理布局，泄漏發(fā)生后及時降低管廊內氣體濃度以降低危險性。通風及傾斜情況下氣體濃度分布將作為下一步研究方向。