水下天然气管道泄漏扩散数值模拟

李 勇，王卫强，王国富，陈 松，于小哲

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

水下天然气管道泄漏扩散数值模拟

李 勇，王卫强，王国富，陈 松，于小哲

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

目前，对于水下天然气管道泄漏的研究相对较少，泄漏气体的扩散规律尚不明确，这给事故发生后的应急处理带来了很大的困难。建立水下管道泄漏二维模型，采用 VOF多相流模型，通过模拟软件对不同水流速度下的天然气泄漏扩散过程进行数值模拟。结果显示：泄漏初期，气团聚集成球状，由于中部气团上升速度较快，气团变为月牙状，随后分裂为许多小气团四处飞散，随着水流速度的增加，泄漏气体浓度降低的更快，气团向右侧偏移距离增大。该研究对事故发生以后的危险区域划定有意义。

VOF模型；天然气；泄漏扩散；水下管道

随着经济的发展，天然气的需求量不断增长，我国加大对海洋油气资源的开采，大量的水下管道被敷设。然而，海底管道容易受到电化学腐蚀、第三方破坏、疲劳失效等因素的影响发生泄漏［1］。

目前，对于管线泄漏的研究主要集中于陆地管道［2-4］。这类数值模拟通常选用组分输运模型，主要考察风速对泄漏气体扩散的影响。对于水下的管线泄漏问题研究相对较少。文闯［5］等利用VOF多相流模型对海底天然气管道泄漏过程进行模拟，并通过实验验证所建立模型的准确性。景海泳［6］等通过VOF模型和DPM模型耦合的方式模拟了泄漏气体气泡的扩散分布规律。以上研究都是平静的水下环境中的泄漏扩散过程，并未考虑水流速度的影响。本文选用 VOF多相流模型，对不同水流速度影响下的天然气泄漏过程进行模拟，计算过程考虑热交换、重力和浮力等影响因素。

1 数学模型

水下气体泄漏扩散过程实质为研究水中的气泡运动规律。VOF模型是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法［7］。采用这种模型可以得到两种或多种互不相融流体间的交界面。这一模型所研究的经典问题包括液体中的大泡运动，因此选用该模型进行模拟。考虑到热量的交换因素需要开能量方程，考虑重力与浮力的影响，设定重力加速度大小为9.8 m/s2。

本文所需的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和湍流方程。

能量守恒方程：

式中，E为流体微团的总能，J/kg，包括内能、动能和势能之和，E=h-p/ρ+u2/2，h为焓，J/kg，hj为组分j的焓，J/kg，定义为

其中Tref=295K；Keff为有效热传导系数，W/（m·K），Keff=k+kt，kt为湍流热传导系数，根据所选湍流模型确定；Jj为组分j 的扩散通量；Sh为包含了化学反应热及其他用户定义的体积热源项。

湍流方程：

水下天然气管线泄漏速度快，泄漏的气体流动状态属于湍流，需开湍流方程进行计算。由于湍流运动比较复杂，没有统一的方程。从计算的精度要求等方面的考虑选用标准的k-ε模型进行求解，计算方程如下：

式中：μt=ρCμ（k2/ε），Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cε3=1.0，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2 物理模型

如图1所示，计算区域为10 m×5 m的二维平面，泄漏管管径400 mm，泄漏口直径60 mm，泄漏口左侧距水流入口边界2 m，计算区域底边除泄漏口外都为壁面边界。生成结构化网格，并对泄漏口附近的网格进行加密处理。泄漏口为速度入口，温度为295 K，由于本文主要探究水流速度对泄漏天然气分布影响，考虑到计算机内存和计算区域大小等因素后，假定泄漏速度为1 m/s。水流入口为速度入口，泄漏速度分别取0，0.06，0.12 m/s，温度为300 K。出口均设置为自由出流，壁面设置为无滑移边界。

图1 水下管道泄漏物理模型Fig.1 Underwater pipeline leak physical model

水下天然气管道泄漏扩散问题属于非稳态问题，选用基于压力法的求解器，设置重力加速度大小为9.8 m/s2，方向竖直向下。开VOF多相流模型，并且考虑隐式体积力的影响，激活能量方程，湍流模型选用标准的k-ε模型，压力-速度关联形式为SIMPLE，并保持默认的算法设置。初始化使得整个区域充满水，之后进行迭代计算。

3 结果与讨论

本文分别以水流速度为0，0.06，0.12 m/s进行模拟，探究水流速度对水下泄露天然气扩散分布的影响。

从图2中可以看出，在泄漏初期泄漏天然气聚集成球状，浓度很高，随着时间的推移气团受浮力

图2 水流速度为0 m/s的泄漏天然气浓度分布Fig.2 The concentration distribution of natural gas leakage when water flow rate is 0 m/s

作用竖直向上升，由于中间的气泡上升速度较快，导致两侧气团回流，气团形状变为月牙形，浓度不断降低，随着高度不断上升，气团分裂为多个小气团，并且不断长大，四周的气泡向上升的同时，也以缓慢的速度向横向运动。

图3显示在泄漏初期，受横向水流的影响，气团向右发生偏移，形状为月牙形，随后气团大致分为两部分，大部分高浓度的气体向右移动，被推向左边的部分气体也向右移动，随着时间的推移浓度不断降低，与水流速度为0 m/s的泄漏扩散情况相比，天然气浓度降低的更快，随着高度的攀升，气团不断分裂、长大，并向四面八方飞散，向右侧飞散的气团上升的更快，相对于静止水流速度的泄漏扩散情况，向横向的移动距离增加，并且向右侧的扩散距离更远。

图3 水流速度为0.06 m/s的泄漏天然气浓度分布Fig.3 The concentration distribution of natural gas leakage when water flow rate is 0.06 m/s

图4 水流速度为0.12 m/s的泄漏天然气浓度分布Fig.4 The concentration distribution of natural gas leakage when water flow rate is 0.12 m/s

图4所示，泄漏初期气团向右侧偏移，形状为月牙形，随后分裂为多个小块，由于水流速度相对较大，气团主要向右侧飞散，与前两种情况相比，气团浓度下降得更快。

4 结 论

（1）泄漏初期气团聚集成球状，浓度较大，在浮力的作用下，气团不断上升，中间的气团上浮较快，两侧气团出现回流，浓度不断降低，随后，气团分裂为多个小气团，不断长大、飞散。

（2）水流速度的增大导致气团浓度降低得更快，气泡飞散得更快，气体向水流速度方向扩散得更远。

（3）事故发生以后，依照水流速度方向，应及时向下游划定更远的隔离区，来保证人员和财产的安全。

［1］赵建平.油气海底管道的风险评价［J］.油气储运， 2007， 26（11）: 5-8.

［2］程浩力，刘德俊，刘倩倩，等.城燃管道街道峡谷泄漏扩散CFD数值模拟［J］.石油化工高等学校学报， 2011，24（4）:60-63.

［3］ 李朝阳，马贵阳，徐 柳.架空及埋地天然气管道泄漏扩散数值研究［J］.中国安全生产科学技术， 2011，07（7）:66-69.

［4］ 程猛猛，吴 明，赵 玲，等.城市埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟［J］.石油与天然气工，2014，43（1）:94-98.

［5］ 文 闯，延 斌，王宪全，等.海底管线天然气泄漏过程数值模拟［J］.常州大学学报（自然科学版）， 2015，27（2）:72-77.

［6］景海泳，余建星，杜尊峰等.海底管道水下气体扩散 FLUENT仿真分析［J］.海洋技术，2012，31（3）:82-85.

［7］丁欣硕，焦 楠.FLUENT14.5流体仿真计算从入门到精通［M］.清华大学出版社，2013.

Numerical Study on Natural Gas Leakage of Underwater Pipeline

LI Yong，WANG Wei-qiang，WANG Guo-fu，CHEN Song，YU Xizo-zhe
（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

At present， it's relatively less to study underwater gas pipeline leakage， so the diffusion regularity is not clear， which makes emergency treatment difficult after the accident， therefore research on this area appears very important. In this paper， two-dimensional underwater pipeline leakage model was established， using the VOF multiphase flow model， gas leakage and diffusion process under different flow rate were simulated by simulation software. The results show that initially the gas integrates into spherical shape， and then the spherical shape becomes the crescent because the middle of gas mass rises faster than both sides， finally the air mass splits into many small gas masses. With the increase of the flow rate， leakage gas concentration decreases faster， the mass flying distance to the right increases.

VOF model； Natural gas； Leakage and diffusion； Underwater pipeline

TE 832

A

1671-0460（2015）12-2861-03

2015-07-24

李 勇（1990-），男，辽宁铁岭人，在读硕士研究生，从事油气储运技术工作。E-mail：382313496@qq.com。