穩態情況下天然氣管道泄漏數值模擬研究

摘 要 為了研究天然氣管道泄漏后甲烷在一定區域內的擴散情況，采用仿真軟件FLUENT對建立的相關物理模型進行數值模擬計算，探討了不同風速對甲烷擴散特性的影響。數值模擬結果表明：天然氣泄漏處的高流速核心區域噴射高度不高，風速越大，高流速核心區域噴射高度越低;風速越小，甲烷在一定區域內的擴散范圍越大，但甲烷擴散分布較均勻，局部甲烷濃度較低;風速越大，甲烷在一定區域內的擴散范圍越小，但甲烷會在局部形成聚集，引起局部甲烷濃度升高。

關鍵詞 天然氣管道 甲烷泄漏 擴散 風速 穩態 FLUENT

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻標識碼 A" "文章編號 0254?6094（2023）01?0083?05

天然氣作為一種重要的清潔能源，廣泛應用于化工業、制造業及日常民用等各領域。由于天然氣的廣泛應用，天然氣氣站數量也在逐年增加，筆者在對一些氣站的壓力管道進行定期檢驗時發現，部分管道存在腐蝕、裂紋等缺陷。這些缺陷管道一旦發生泄漏，將會發生火災、爆炸、人員傷亡等事故，給企業造成重大的經濟損失，因此對天然氣管道發生泄漏后甲烷的擴散情況進行研究具有重要的意義。

近年來，研究學者對天然氣管道泄漏相關問題做了大量研究。例如于明等應用三維計算模型和湍流模式理論模擬了輸氣管道泄漏情況[1];王

鵬等梳理了天然氣管道瞬態仿真在數學模型、求解方法和加速仿真3個方面的研究歷程，總結了當前的研究成果[2];徐景德等采用FLUENT軟件對天然氣管道微量泄漏后甲烷擴散特性進行了數值模擬研究，模擬了非穩態時甲烷濃度的分布情況[3];郝永梅等采用FLUENT軟件模擬了PE管道在不同場景下的小孔泄漏，得到泄漏處的壓力和流速分布情況，并結合相應試驗進行了驗證[4];王俊等采用數值模擬方法，研究了泄漏壓力、泄漏孔徑及管道埋深等因素對埋地管道泄漏后介質擴散的影響[5]。

我國對天然氣管道泄漏相關問題的研究，主要集中于模型數學公式計算、泄漏孔徑大小對擴散的影響以及泄漏壓力對擴散的影響等方面，而相關外部因素對擴散的影響方面的研究卻很少，在此筆者主要研究外部風速對一定區域內甲烷擴散的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

對天然氣管道泄漏后甲烷在一定區域內的擴散特性進行研究，截取了天然氣氣站一個區域進行二維物理建模，二維物理模型的尺寸為5 m×5 m（圖1），發生泄漏的天然氣管道緊貼地面，泄漏處位于管道正中位置，假設天然氣管道泄漏處的當量長度為0.01 m，泄漏處的壓力為1 MPa。筆者對自然風風速為0、2、5、8 m/s4種工況下甲烷在5 m×5 m區域內的擴散特性進行研究。

1.2 數學模型

泄漏處的壓力取1 MPa，根據雷諾數Re的大小，二維區域內的甲烷流動為湍流流動。因此，數學模型是基于穩態不可壓縮流體的質量守恒方程和雷諾平均Navier?Stokes方程，同時選取標準k?ε雙方程湍流模型。筆者主要對二維區域內的甲烷擴散情況進行模擬計算，故數學模型還包括組分輸運模型。數學模型相關的控制方程如下：

其中，u為速度矢量在x方向的分量，v為速度矢量在y方向的分量，p為流體微元體上的壓力，T為溫度，a=k/C（其中k為流體的傳熱系數，C為比熱容），c為組分的體積濃度，D為組分擴散系數，ρ為密度。

1.3 邊界條件

管道泄漏處選擇壓力入口（pressure?inlet）作為邊界條件，自然風入口選擇速度入口（velocity?inlet）作為邊界條件，區域右側及頂部選擇壓力出口（pressure?outlet）作為邊界條件，底部選擇墻面（wall）作為邊界條件。具體邊界條件示意圖如圖2所示。

2 數值模擬及結果分析

貼地天然氣管道發生泄漏后，對5 m×5 m二維區域內的甲烷擴散特性進行數值模擬研究，通過對不同風速情況下甲烷擴散特性的比較，討論風速對一定區域內甲烷擴散的影響。選擇風速分別為0、2、5、8 m/s，圖3給出了不同風速下甲烷在5 m×5 m二維區域內的流速分布圖，圖4給出了不同風速下甲烷在5 m×5 m二維區域內的質量分數分布圖，圖5給出了不同風速下甲烷在5 m×5 m二維區域內的摩爾濃度分布圖。

分析圖3可知，泄漏處最高流速可達55 m/s，泄漏處流速核心區域流速在5～45 m/s之間，風速對泄漏處高流速甲烷噴射高度有較大影響。風速為0 m/s時，高流速核心區域噴射最高高度為1.1 m，該區域內甲烷流動沒有發生偏移，且該區域為軸對稱流動形狀;風速為2 m/s時，高流速核心區域噴射最高高度為0.9 m，該區域內甲烷流動發生少許偏移，且該區域流動形狀發生小幅傾斜;風速為5 m/s時，高流速核心區域噴射最高高度為0.7 m，該區域內甲烷流動發生明顯偏移，且該區域流動形狀發生明顯傾斜;風速為8 m/s時，高流速核心區域噴射最高高度為0.4 m，該區域內甲烷流動發生顯著偏移，且該區域流動形狀發生大幅傾斜。

分析圖4可知，風速為0 m/s時，甲烷基本擴散至整個區域，擴散核心區域的甲烷質量分數在0.10～0.30之間，該區域基本上是一個軸對稱形狀;風速為2 m/s時，擴散核心區域的甲烷質量分數在0.15～0.45之間，甲烷基本只擴散到2.1 m左右高度;風速為5 m/s時，擴散核心區域的甲烷質量分數在0.20～0.50之間，甲烷基本只擴散到0.9 m左右高度;風速為8 m/s時，擴散核心區域的甲烷質量分數在0.25～0.55之間，甲烷基本只擴散到0.5 m左右高度。

分析圖5可知，風速為0 m/s時，甲烷基本擴散至整個區域，擴散核心區域的甲烷摩爾濃度在0.006～0.016 kmol/m3之間，該區域基本上是一個軸對稱形狀;風速為2 m/s時，擴散核心區域的甲烷摩爾濃度在0.006～0.024 kmol/m3之間，甲烷基本只擴散到2.1 m左右高度;風速為5 m/s時，擴散核心區域的甲烷摩爾濃度在0.008～0.028 kmol/m3之間，甲烷基本只擴散到0.9 m左右高度;風速為8 m/s時，擴散核心區域的甲烷摩爾濃度在0.010～0.030 kmol/m3之間，甲烷基本只擴散到0.5 m左右高度。

3 結束語

筆者通過建立二維物理模型，模擬研究了在天然氣管道發生泄漏后穩態情況下甲烷在一定區域內的擴散特性，探討了不同風速對甲烷擴散的影響。數值模擬結果表明，天然氣管道發生泄漏后，風速對甲烷在一定區域內的擴散特性影響較大。從甲烷流速分布圖分析，天然氣泄漏處的高流速核心區域噴射高度不高，風速對高流速核心區域噴射高度的影響比較明顯，風速越高，高流速核心區域噴射高度越低。從甲烷質量分數分布圖及甲烷摩爾濃度分布圖分析，風速越小，甲烷在一定區域內的擴散范圍越大，但甲烷在區域內的分布更為均勻，局部甲烷濃度較低;風速越大，甲烷在一定區域內的擴散范圍越小，但甲烷會在局部形成聚集，引起局部甲烷濃度升高。模擬結果可為日后天然氣氣站的通風設計提供理論依據，也為天然氣氣站管道泄漏應急預案的編制提供參考。

參 考 文 獻

[1] 于明，狄彥，帥健.輸氣管道泄漏率計算與擴散模擬方法述評[J].管道技術與設備，2007（4）：15-18.

[2] 王鵬，童睿康，蔣若蘭，等.天然氣管道瞬態仿真研究綜述[J].科學技術與工程，2021，21（17）：6959-6970.

[3] 徐景德，吳璐瑤.基于FLUENT的天然氣管道微量泄漏數值模擬[J].華北科技學院學報，2018，15（5）：60-64.

[4] 郝永梅，楊文斌，杜璋昊，等.城市非金屬管道小孔泄漏數值模擬與試驗驗證[J].實驗室研究與探索，2019，38（2）：26-30;105.

[5] 王俊，封輝，高琦，等.埋地管道泄漏數值模擬分析[J].科學技術與工程，2020，20（33）：13660-13666.

（收稿日期：2022-04-08，修回日期：2023-01-09）

Numerical Simulation of Gas Pipeline Leakage in Steady State

SHAO Bin， QIN Jing?fang， YING Jia?yi， HU Wei?wei

（Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute）

Abstract" "For purpose of investigating methane diffusion in a certain area after the leakage of natural gas pipeline， having FLUENT adopted to simulate the physical model established was implemented， including the discussion of different wind speeds’ influence on the methane diffusion property. The simulation results show that， the jet height at the high velocity core area is not high， and the higher wind speed results in the lower jet height at the high velocity core area; the smaller wind speed brings larger diffusion range of methane within a certain area， and the methane diffusion distribution becomes more uniform along with low local methane concentration; the greater wind speed can incur methane’s smaller diffusion range in a certain area and the methane would form local aggregation and raise local methane concentration.

Key words" "natural gas pipeline， methane leakage， diffusion， wind speed， steady state， FLUENT

作者簡介：邵斌（1989-），工程師，從事承壓類特種設備檢驗工作，240563465@qq.com。

引用本文：邵斌，秦敬芳，應家儀，等.穩態情況下天然氣管道泄漏數值模擬研究[J].化工機械，2023，50（1）：83-87.