摘　要：采用計算流體力學(xué)(CFD)方法，在天然氣持續(xù)泄漏條件下，數(shù)值模擬風(fēng)速對障礙物迎風(fēng)面天然氣體積分?jǐn)?shù)分布的影響，分析庭院燃?xì)夤艿佬孤τL(fēng)面住戶的危害。

關(guān)鍵詞：天然氣泄漏  計算流體力學(xué)  庭院管道  迎風(fēng)面住戶

Gas Volume Fraction Distribution at Windward Side of Obstacles under Condition of Gas Continuous Leakage

Abstract：The influence of wind speed on natural gas volume fraction distribution at windward side of obstacles is numerically simulated by computational fluid dynamics(CFD)method under the condition of natural gas continuous leakage．The hazard of courtyard gas pipeline leakage to households at windward side is analyzed．

Keywords：natural gas leakage；computational fluid dynamics；courtyard pipeline；households at windward side

1　概述

進(jìn)入20世紀(jì)后期，我國能源結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，天然氣需求量迅速增加。天然氣具有熱值高、來源廣、環(huán)境友好等優(yōu)點，但天然氣泄漏后易擴(kuò)散，易導(dǎo)致人員中毒甚至發(fā)生爆炸，對人民的生命財產(chǎn)造成危害，因此研究燃?xì)庑孤┖蟮臄U(kuò)散規(guī)律具有重要意義^[1]。

現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展使得采用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法研究各種流體的流動、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過程成為可能^[2]。與傳統(tǒng)的實驗和理論分析方法相比，CFD方法具有成本低且條件設(shè)置簡便等優(yōu)點。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始采用CFD方法對市政管道、儲罐、室內(nèi)管道燃?xì)庑孤﹩栴}進(jìn)行研究^[3-4]。

目前，也有很多關(guān)于氣體泄漏和擴(kuò)散動態(tài)模擬的研究成果發(fā)表：吳晉湘等人^[5]利用CFD方法對燃?xì)獬掷m(xù)泄漏后的擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。劉欣^[2]利用CFD方法對海上油氣平臺可燃?xì)怏w泄漏進(jìn)行了模擬計算。肖淑衡^[6]利用泄漏危險性氣體在大氣風(fēng)流中運動的數(shù)值計算模型，對天然氣等輕質(zhì)氣體泄漏擴(kuò)散運動進(jìn)行了數(shù)值模擬。X．P．Liu等人^[7]對高層建筑周圍燃?xì)庑孤┦艿讲煌L(fēng)速的影響進(jìn)行了分析。

本文采用CFD方法，研究庭院天然氣管道在持續(xù)泄漏條件下，不同風(fēng)速對障礙物迎風(fēng)面天然氣體積分?jǐn)?shù)分布的影響。

2　物理模型

研究區(qū)域的物理模擬見圖1，模擬庭院燃?xì)夤艿莱掷m(xù)泄漏對迎風(fēng)面住戶的危害。圖中紅色矩形體為障礙物，模擬1～3層住戶的迎風(fēng)面，藍(lán)色圓點為天然氣泄漏口，圖中數(shù)值單位為m。坐標(biāo)系原點O位于底面中心點。障礙物底面中心點位于(0，20，0)，長度(x軸方向)為20m，厚度(y軸方向)為1m，高度(z軸方向)為10m。泄漏口圓心位于(0，25，0)，直徑為20mm，燃?xì)饬飨蛳蛏?，空氣來流方向指?span lang="EN-US">y軸負(fù)方向。模型底面為地面，地面設(shè)置為固體邊界，模型其他表面為自由出口壓力邊界，設(shè)為常壓。燃?xì)庑孤毫Ψ€(wěn)定在2000Pa，燃?xì)赓|(zhì)量流量為60.58kg／h，采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，以甲烷代替天然氣，風(fēng)速分別選取l、5、10m／s。

3　數(shù)值模擬方程

①泄漏控制方程

天然氣泄漏擴(kuò)散可認(rèn)為是多組分氣體相互作用的湍流，泄漏的天然氣與空氣混合形成爆炸性混合氣體，混合氣體各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，泄漏控制方程滿足連續(xù)性方程、動量方程、組分方程^[8]。

②流動方程

選擇湍流計算中應(yīng)用范圍最廣的k-e湍流方程，通過增加單位質(zhì)量流體湍流脈動動能后和單位質(zhì)量流體脈動動能耗散率占的控制方程使湍流時均方程組封閉，標(biāo)準(zhǔn)方程形式見文獻(xiàn)[9]。

4　模擬結(jié)果與分析

由于甲烷爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))為5％～l5％，因此本文給出的障礙物迎風(fēng)面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布云圖可辨識的甲烷體積分?jǐn)?shù)(稱為甲烷辨識體積分?jǐn)?shù))范圍設(shè)定為0～15％，并將甲烷爆炸極限定義為危險體積分?jǐn)?shù)范圍。

①yOz平面的體積分?jǐn)?shù)分布

不同風(fēng)速下yOz平面上甲烷辨識體積分?jǐn)?shù)分布云圖(視線方向為x軸負(fù)方向)見圖2～4。由圖2可知，當(dāng)風(fēng)速為1m／s時，障礙物迎風(fēng)面危險體積分?jǐn)?shù)范圍分布在7～10m高度范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速為5m／s時，分布在0～5m高度范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速為l0m／s時，分布在0～3m高度范圍內(nèi)。

②不同高度上的體積分?jǐn)?shù)分布

不同風(fēng)速下不同高度(1、3、5、10m)平面上甲烷辨識體積分?jǐn)?shù)分布云圖分別見圖5～7。由圖5可知，當(dāng)風(fēng)速為1m／s時，在z＝1m平面上，近壁面甲烷辨識體積分?jǐn)?shù)聚積寬度僅為2m，但隨著高度的增大甲烷辨識體積分?jǐn)?shù)分布范圍向兩側(cè)擴(kuò)大。在z＝5m平面上，聚積寬度達(dá)到l2m。在z＝10m處仍有較大聚積寬度，甚至能越過障礙物擴(kuò)散到其背面。

由圖6可知，當(dāng)風(fēng)速增大至5m／s時，在z＝1m平面上，障礙物近壁面甲烷辨識體積分?jǐn)?shù)聚積寬度達(dá)到l0m，危險體積分?jǐn)?shù)范圍分布高度比風(fēng)速為1m／s時有所降低，約在5m以下。雖然在z＝10m處仍可觀測到甲烷辨識體積分?jǐn)?shù)，但不足以構(gòu)成威脅。

由圖7可知，當(dāng)風(fēng)速為10m／s時，在z＝1m平面上，障礙物近壁面甲烷辨識體積分?jǐn)?shù)聚積寬度達(dá)到18m，但危險體積分?jǐn)?shù)范圍分布高度明顯下降，在z＝5m處已觀測不到危險體積分?jǐn)?shù)范圍，分布高度在z＝3m以下。

5　結(jié)論與展望

①在低風(fēng)速(1 m／s)時，天然氣泄漏對2～3層住戶威脅最大；在中風(fēng)速(5m／s)時，天然氣泄漏對1～2層住戶威脅最大；在高風(fēng)速(10m／s)時，天然氣泄漏對1層住戶威脅最大，且易在近地面處迅速擴(kuò)散。

②當(dāng)風(fēng)速較小時，天然氣不易擴(kuò)散，影響范圍比較大。當(dāng)風(fēng)速增大時，天然氣易被稀釋到爆炸下限以下，雖然擴(kuò)散更廣，但造成的危害反而減小。因此，在低風(fēng)速時，更要嚴(yán)密關(guān)注，以免造成更大的損失。

③在天然氣發(fā)生泄漏后，受到威脅的樓層居民應(yīng)盡快疏散，不要接打電話、開關(guān)電器，以免產(chǎn)生電火花，更不能吸煙、使用打火機(jī)。

④本文的模擬是建立在簡化物理模型上的，在實際中，住宅小區(qū)地形更為復(fù)雜，建筑外形及大氣參數(shù)更為多變。我們需進(jìn)一步借助其他工具以及根據(jù)實際情況按比例設(shè)計物理模型描繪復(fù)雜地形，提高模擬的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫潔．室外管道燃?xì)庑孤U(kuò)散模擬與可視化研究(碩士學(xué)位論文)[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2012：1-5．

[2]劉欣．可燃?xì)庑孤U(kuò)散的CFD研究[J]．計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2012，29(2)：185-190．

[3]李百戰(zhàn)，張甫仁．室內(nèi)天然氣泄漏三維濃度場的CFD模擬[J]．煤氣與熱力，2012，32(1)：B09-Bl2．

[4]程浩力，劉德俊，龍世華，等．城市燃?xì)夤艿佬孤┑?span lang="EN-US">CFD模擬[J]．油氣儲運，2011(8)：647-651．

[5]吳晉湘，牛坤，閆運忠．燃?xì)膺B續(xù)性泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究[J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，36(3)：1-6．

[6]肖淑衡．廠區(qū)燃?xì)獾任ｋU性氣體泄漏擴(kuò)散的模擬研究(碩士學(xué)位論文)[D]．廣州：廣州大學(xué)，2006：7-8．

[7]LIU X P，NIU J L，KWOK K C S．Analysis of coneentration fluctuations in gas dispersion around high-rise building for different incident wind directions[J]．Journal of Hazardous Materials，2011(3)：1623-1632．

[8]YANG Rui，ZHANG Jing，SHEN Shifei，et al．Numerical investigation of the impact of different configurations and aspect rations on dense gas dispersion in urban street canyons[J]．Tsinghua Science and Technology，2007(3)：345-351．

[9]陶文銓．?dāng)?shù)值傳熱學(xué)[M]．3版．西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：332-350．

本文作者：劉海靜  楊暉  郝學(xué)軍

作者單位：北京建筑大學(xué)北京市“供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程”重點實驗室

  北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院