室內(nèi)天然氣泄漏三維濃度場的CFD模擬

摘 要

摘要：以廚房天然氣泄漏為例，以三維κ-ε湍流模型為基礎，以計算流體動力學(CFD)為分析手段，以室內(nèi)各特定空間點和空間面為研究對象，對天然氣泄漏后的體積分數(shù)進行模擬
摘要：以廚房天然氣泄漏為例，以三維κ-ε湍流模型為基礎，以計算流體動力學(CFD)為分析手段，以室內(nèi)各特定空間點和空間面為研究對象，對天然氣泄漏后的體積分數(shù)進行模擬和分析。由于天然氣密度小于空氣密度，天然氣泄漏后在豎直方向的擴散速度大于在水平方向的擴散速度，易在房間上部積聚。天然氣泄漏達到爆炸極限的體積分數(shù)分布區(qū)域是一個有一定厚度的水平區(qū)域。
關鍵詞：室內(nèi)天然氣泄漏；計算流體動力學模擬；濃度場
CFD Simulation of Three.dimensional Concentration Field of Indoor Natural Gas Leakage
LI Baizhan，ZHANG Furen
Abstract：Taking natural gas leakage in kitchen for example，the volume fraction of leaked natural gas at indoor given spatial points and surface is simulated and analyzed by CFD software based on the three-dimensionalκ-εturbulence model.Since the density of natural gas is less than that of air，the diffusion rate of lcaked natural gas in vertical direction is greater than that in horizontal direction，and it is easy to accumulate at upper part of chamber.The distribution area of leaked natural gas with the volume fraction reaching the explosion limit is a level area with certain thickness.
Key words：indoor natural gas leakage；CFD simulation；concentration field
1 概述
   通過大量建筑室內(nèi)燃氣泄漏引發(fā)火災的案例調(diào)查和分析得知，燃氣泄漏后，隨著濃度的增加，會形成一個局部著火爆炸區(qū)域。即使整個環(huán)境空間濃度沒有達到爆炸極限，這個局部著火爆炸區(qū)域遇到火源，仍會產(chǎn)生局部爆炸燃燒，并可能點燃附近的可燃物，引起火災[1]。因此，對燃氣泄漏擴散[2～7]進行理論研究有重要的現(xiàn)實意義。本文以計算流體動力學(CFD)為分析手段，以某二室一廳的建筑內(nèi)特定空間點和空間面為研究對象，分析天然氣泄漏后，這些空間點和空間面的天然氣體積分數(shù)隨時間的變化規(guī)律。
2 物理模型的建立
    以該二室一廳建筑內(nèi)的廚房天然氣泄漏為例，建筑平面布置見圖1，尺寸單位為mm，房間高3.3m。按照該建筑建立物理模型，天然氣泄漏點設定在廚房地表面，在室內(nèi)設置7個監(jiān)測點，監(jiān)測點的布置見圖2，監(jiān)測點距地面1.6m，圖2中的箭頭表示天然氣泄漏后的擴散方向。設室內(nèi)環(huán)境溫度為27℃，壓力為一個標準大氣壓，墻壁為絕熱，房間處于封閉狀態(tài)。假定天然氣泄漏孔的直徑為25mm，泄漏速度為3m/s。
 

3 數(shù)學模型的建立
    Fluent軟件是目前比較流行的CFD軟件，其生成程序把相對復雜的幾何結(jié)構計算變得容易和輕松。后處理軟件Tecplot是繪圖和數(shù)據(jù)分析的通用軟件，能直接導入Fluent格式的數(shù)據(jù)文件，具有強大的后處理功能，與Fluent軟件結(jié)合起來完成流體的計算和數(shù)據(jù)的處理。筆者使用Fluent軟件進行模擬，利用標準κ-ε模型作為湍流模型，采用非結(jié)構化網(wǎng)格進行模擬計算，分析天然氣體積分數(shù)隨時間的變化規(guī)律。
4 模擬結(jié)果分析
    保持天然氣的泄漏速度不變，對天然氣泄漏后室內(nèi)7個監(jiān)測點和空間平面的天然氣體積分數(shù)進行了數(shù)值模擬。
    ① 7個監(jiān)測點的模擬結(jié)果
    監(jiān)測點1、2、4的模擬結(jié)果見圖3～5，監(jiān)測點3、5、6、7的天然氣體積分數(shù)曲線與圖4、5相似。
 

由模擬結(jié)果可知，在泄漏后的前300 S內(nèi)，監(jiān)測點1的天然氣體積分數(shù)先增大后減小，因為該監(jiān)測點鄰近泄漏孔，氣流受到天然氣泄漏速度的擾動形成了渦流。其余各監(jiān)測點由于處在封閉房間，未受到干擾因素的影響，天然氣體積分數(shù)的變化曲線形狀幾乎相同，只是變化在時間上有先后，且當時間達到約5400s時，各監(jiān)測點天然氣的體積分數(shù)基本都達到了爆炸下限。
② 空間平面的模擬結(jié)果
模擬了天然氣泄漏后，x=1.35m平面、z=1m(距離地面1m)平面、z=1.6m平面上的天然氣體積分數(shù)隨時間t的變化規(guī)律。天然氣泄漏1800、3600、5400s后x=1.35m平面上的天然氣體積分數(shù)分布見圖6。由模擬結(jié)果可知，天然氣泄漏擴散后的體積分數(shù)隨與地面垂直距離的增大而增大。不同時刻天然氣泄漏擴散的形態(tài)基本相似，但天然氣的體積分數(shù)和所覆蓋的危險區(qū)域變化較大。

分析發(fā)現(xiàn)，天然氣在空氣中的擴散速度非常快，在房間上部更容易積聚，這主要是由于天然氣密度比空氣小。此外，天然氣泄漏后，隨著濃度的增加，會形成一個局部著火爆炸區(qū)域，即使整個環(huán)境空間濃度沒有達到爆炸極限，當這個區(qū)域遇到火源時仍會局部著火，引起火災。
     不同時刻z=1m和z=1.6m平面上的天然氣體積分數(shù)分布見圖7。由圖7可知，由于天然氣的密度比空氣小，天然氣泄漏后在垂直方向的擴散速度明顯大于在水平方向的擴散速度。天然氣在水平方向擴散的過程中，由于受到墻壁等障礙物的阻擋區(qū)，有利于人們在發(fā)生天然氣火災初期爭取時間疏散逃生和滅火救援。天然氣在封閉狀態(tài)下泄漏時，約5400s后z=1.6m平面上的體積分數(shù)達到爆炸極限，且爆炸區(qū)域是一個有一定厚度的水平區(qū)域，這為人們在天然氣泄漏后采取有效的措施提供了很好的依據(jù)。

5 結(jié)論
   ① 用CFD模擬和Tecplot后處理方法相結(jié)合，可以得到天然氣泄漏后的擴散情況及室內(nèi)的濃度場，為天然氣泄漏后設置警戒區(qū)和疏散區(qū)提供了理論基礎。
    ② 模擬結(jié)果顯示，由于天然氣密度小于空氣密度，天然氣泄漏后在垂直方向的擴散速度明顯大于在水平方向的擴散速度。
    ③ 模擬得到了室內(nèi)天然氣泄漏三維濃度場，為安全管理、事故調(diào)查、工程設計以及防災救災等提供依據(jù)。
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(本文作者：李百戰(zhàn)1 張甫仁1、2 1.重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室 重慶 400045；2.重慶交通大學 機電與汽車工程學院 重慶 400074)