基于FLUENT的含硫天然气泄漏数值模拟研究*

王亚超，罗振敏，肖　旸，程方明

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

基于FLUENT的含硫天然气泄漏数值模拟研究*

王亚超1,2，罗振敏1,2，肖旸1,2，程方明1,2

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

为了研究天然气输送管道发生泄漏后气体的扩散规律，以长庆油田第五采气厂输送管道为研究对象，利用FLUENT软件进行数值计算。根据现场的实际情况，建立了数值模拟的物理模型，设置合理的边界条件，得到了不同风速下天然气扩散规律。结果表明：在静风条件下，气体的浓度和速度分布基本上呈对称分布。在风力的作用下，气体的浓度场向下风向发生了明显的偏斜，当风速为3 m/s时，喷射气流大约在泄漏口上方50 m处发生偏斜，当风速为5 m/s时，喷射气流大约在泄漏口上方35 m处发生偏斜，当风速为10 m/s时，喷射气流大约在泄漏口上方15 m处发生偏斜，而且随着风速的增大，射流偏离竖直方向角度也增大。同时风速越大，硫化氢对人体有危害的面积越小。

数值模拟；天然气泄漏；风速；危险区域

0　引　言

中国已经探明的含硫天然气藏逐年增加，在含硫天然气藏的开采和运输过程中，一旦发生泄漏，就会造成严重的人员伤亡和经济损失[1]。2012年4月23日，新疆巴音郭楞蒙古自治州发生一起因为施工造成的天然气管道泄漏事故，事故造成附近3万多户居民和餐饮商户停止供气。给生产和居民的生活带来诸多不便。因此掌握含硫天然气管道泄漏后气体的扩散规律，对天然气发生泄漏事故后制定应急救援预案和人员疏散方案起到关键作用。

目前，部分学者对天然气泄漏气体扩散规律有所研究。李振林，姚孝庭等[2]学者利用FLUENT软件对高含硫天然气管道破裂泄漏扩散规律进行了数值模拟，得到了硫化氢、甲烷在一定地形条件和风速影响下的扩散规律。黄琴，蒋军成[3]运用FLUENT软件对LNG泄漏扩散的Burro实验进行了模拟，并将不同点处模拟的温度和浓度随时间的变化情况与实验结果进行了对比。结果表明，温度和浓度的变化趋势与实验值基本一致，水平面、侧面以及对称面上的浓度等值线分布也与实验基本吻合。

FLUENT软件目前是功能较为全面，适用性最广的流体力学计算软件，在气体扩散方面有着广泛的应用[4-7]。因此文中利用FLUENT软件对中国石油长庆油田分公司第五采气厂(以下简称第五采气厂或采气厂)输气管道天然气泄漏扩散进行数值模拟，研究不同风速下天然气扩散的规律。

1　模型建立及其边界条件

1.1工程概况

以第五采气厂天然气输送管道为对象，模拟研究不同风速环境下管道发生连续泄漏时的气体扩散规律。采气厂辖区地跨内蒙古自治区和陕西2省，主要位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗境内，气田及管道经过毛乌素沙漠，分沙漠平原区和沙丘波状区2大地貌单元。采气厂所采天然气CH4平均含量约为95%，H2S平均含量207.2 mg/m3，最大含量高达1 196.4 mg/m3，相对密度平均为0.564.采气厂天然气输送管道平均压力为5 MPa[8].

1.2数学模型的建立

天然气发生泄漏后在空气中扩散属于非稳态紊流运动，因而文中选择N-S方程组作为主控方程[8]。

连续性方程

(1)

动量守恒方程

(2)

式中ρ为物质的密度；u1,u2,u3分别为时均速度矢量；P为时均压力；μ为分子黏度。

能量守恒方程

(3)

考虑气体泄漏后在空气中的扩散，计算采用组分扩散模型

(4)

式中，假设i物质的质量分数为Y；υ为传输速度矢量；Ri为存在化学反应时，化学反应产生物种i的速率，无化学反应时可以忽略；Si为用户定义而产生i物种的速率；Ji为i物种的质量扩散通量。

1.3物理模型的建立及边界条件设置

根据现场的实际情况，选取计算区域长100m，宽50m，泄漏孔直径为0.05m，位于底部中间。管道压力为5MPa，环境压力为101 325Pa，环境温度为293.16K，风流自左边进入，风速分别取3，5，10m/s，整个计算区域如图1所示。

图1　计算区域示意图Fig.1　Calculation area diagram

网格划分采用非结构化网格划分方法。因为泄漏口附近的压力梯度变化很大，所以在泄漏口附近应将网格划分足够多，否则可能计算结果不收敛。经过综合考虑，最终划分网格一共69 421个。

在进行解算时，计算采用耦合隐式解法，选择单精度解算器。由于天然气泄漏后气体的扩散速度很大，故采用标准的κ-ε流模型。组分影响采用燃烧模型中不发生化学反应的组份运移模型[9]，天然气的主要成分为甲烷和硫化氢，甲烷占95%，硫化氢占5%.出口边界设置为压力出口边界条件，在考虑风速影响时，左边将压力出口边界条件改为对应的速度入口边界条件[10-11]。

2　模拟结果及分析

2.1标准状态下气体扩散规律

标准状态即在风速入口风速为0的情形。由于天然气管道内部压力和外部环境压力相差很大，故自气体从泄漏孔喷射出来压力短时间内在小范围就与周围环境达到平衡，对整个计算区域影响较小。从图2至图4的模拟结果可以看出，天然气在大气中自由扩散达到稳定之后，速度和浓度分布基本上都呈对称分布。而且由于天然气的初始状态是高浓度高压力喷射，所以速度和浓度值在破裂孔口出最大，从破裂孔口进入大气后再逐步向外扩散，逐渐与大气掺混均匀。

图2　标准状态下气体速度分布云图Fig.2　Gas velocity distribution in standard condition

图3　标准状态下气体速度分布局部放大云图Fig.3　Local magnification image of gas velocity distribution under standard condition

图4　标准状态下硫化氢浓度分布图Fig.4　Concentration distribution of hydrogen sulfide in the standard state

由速度分布云图2，3可以看出，受输气管道内外压差影响，天然气由泄漏口喷射而出，产生射流，在孔口外形成一个锥形的射流流场。由于管道内外压差较大，致使气体向外喷射的速度很高，与大气介质掺混在一起，不断地向周围扩散。从图中可以看出，天然气泄漏为无固壁约束的自由湍流，这种湍性射流通过边界上活跃的湍流混合将周围介质卷吸进来，引起涡流现象，在天然气与大气分界层周围产生不规则运动的漩涡。在泄漏口附近，由于射流作用，管道壁面产生局部低压，构成“真空区”，导致气流横向流向射流边界层。

同时，由气流分布图可以看出天然气泄漏产生湍性射流的几个特征：①射流宽度同到射流源的距离成正比；②射流流动中产生的涡流，引发流体微团之间横向的动量、热量及质量交换，使得射流流动中，总是伴有边界层的存在，并且随着射流方向的增长向两边扩展，引射更多的周围空气进入边界层；③天然气与周围空气的掺混呈线性渐进性，在不同截面上，天然气与空气之间的混合长度沿射流方向宽度保持不变，且与射流宽度成正比，各截面上的气流参数分布都是相似的，这种特性称为自由射流的自模性；④离泄漏口比较远的地方，射流产生弯曲现象，这是由于环境空气的温度和密度与泄漏的天然气不同，重力差致使射流弯曲。这种射流属于非等密度射流；⑤射流流场中的轴向分速度远远大于横向分速度，故在分析计算时，可将横向分速度忽略不计，仅考虑轴向分速度，将其做为射流的总速度。

一般情况下，射流运动中，射流中心线上最大速度同到射流源的距离的平方根成反比，因此，随着此距离增大，射流最大速度越来越小。然而，天然气从泄漏口喷射出来后，其速度却呈现先增大后逐渐减小的规律，并非单向减小。究其原因，是因为天然气密度小于空气密度，在这种非等密度射流中，运动受正浮力的作用，天然气射流速度会沿程增大，直到射流的转折截面。天然气泄漏出口截面到转折截面之间的射流区域称为射流的初始段，转折截面后的射流区域为射流的主段或基本段。转折截面后，射流主段完全被射流边界层所占据，周围的介质流体开始对整个射流过程产生减速影响，射流速度开始逐渐衰减。因此，射流轴线流速呈现出先增大再减小的规律。

由硫化氢浓度分布图4可以看出，射流气体的浓度分布与速度分布规律相似，呈对称分布，存在明显的边界层。在射流核心区内为纯天然气，射流外边界以外区域为纯空气介质，边界层为天然气和空气介质混合物。在同一截面上，射流中心位置的射流气体浓度最大，轴心线两边浓度逐渐减小。受铅直向上的正浮力作用，在射流核心区，初始动量起主导作用，天然气的流动特性类似于纯射流，反映在浓度分布图上，表现为射流核心区的射流气体浓度极高，几乎不受空气介质的影响。由于射流宽度同到射流源的距离成正比，所以随着喷射高度的逐渐增高，气体的射流宽度随之增大，射流气体浓度分布区域也随之增大。这是由于射流气体沿程卷吸周围静止空气的阻滞作用，初始动量作用逐渐减弱，而浮力作用逐渐增强，最终占据主导地位，所以射流气体扩散程度越来越大，最终运动高度可达计算区域顶部。

2.2不同风速下气体扩散规律

获得不同风速下H2S的浓度分布对研究天然气泄漏扩散规律有着重要意义。通过数值模拟，得到环境风速为3，5，10 m/s时天然气中H2S浓度的分布云图和H2S气体危险区域云图，如图5，6所示，通过硫化氢气体浓度分布情况来描述整个天然气的扩散情况。

图5　不同风速下H2S浓度分布云图Fig.5　H2S concentration distribution under different wind speeds(a)风速为3 m/s　(b)风速为5 m/s　(c)风速为10 m/s

图6　不同风速下泄漏点上方垂直距离H2S质量浓度曲线图Fig.6　H2S mass concentration curve of vertical distance above the leakage point under different wind speed

通过对比图4和图5可以清楚的看出，受环境风速的影响，H2S的浓度场在风速条件下明显向下风向偏斜，而且射流偏离垂直方向角度随着风速的增大而增大。在孔口处，管道内的高压，使得含硫天然气泄漏的射流动压力极大，射流速度极高，远大于外界风速，风流产生的动压相对于射流动压力，影响微乎其微，可以看出，含有H2S的天然气刚从泄漏口喷射出时其浓度场并没有发生明显的倾斜。随着射流距离的逐渐增大，射流动压力作用逐渐减小，空气阻力作用逐渐凸显[12]，射流速度逐渐降低，大气湍流作用逐渐增强，射流气体扩散作用也随之增强，风流产生的动压对射流压力场的影响作用开始显现，并逐渐增强。含硫天然气浓度场在风速的作用开始发生偏转，气团沿下风向飘散，风速对H2S扩散的作用逐渐加强，所以随着径向距离的增大，H2S浓度等值线向右倾斜的趋势就越来越明显了[13]。

通过图6的数据可以得出，在泄漏口上方的垂直方向H2S气体的浓度随着距离的增加而减小。当风速为3 m/s时，泄漏气体在泄漏口上方50 m处浓度接近于0，即在50 m处气体发生倾斜。当风速为5 m/s时，泄漏气体在泄漏口上方35 m处浓度接近于0，即在35 m处气体发生倾斜。当风速为10 m/s时，泄漏气体在泄漏口上方15 m处浓度接近于0，即在15 m处气体发生倾斜。数据显示，当风速越大，泄漏天然气越容易发生倾斜。

从图7可以看出，随着风速的逐渐增大，天然气中的H2S的危险区域分布范围呈现出减小的趋势。风流对天然气的推动作用主要是在下风向，随着风速的继续增大，天然气与空气之间由于大气湍流作用和气流卷吸作用，同时不断地掺混发生热量和质量的交换，天然气气团被空气稀释，从而造成天然气泄漏影响范围随着天然气气团浓度降低而逐渐减小。当风速足够大时，天然气气团会在离开射流核心区后即被稀释，泄漏影响范围消失。

图7　不同风速下时H2S危险区域分布图Fig.7　H2S distribution of dangerous area at different wind speeds(a)风速为3 m/s　(b)风速为5 m/s　(c)风速为10 m/s

根据文献[14，15]构建的模型及风速为4，5，14 m/s时浓度天然气浓度分布规律研究可知，风速越大，天然气发生倾斜越大，对下风向区域的影响范围越大。该结论与本论文的研究结果相符，证明文中所建立的数学模型合理，数值模拟结果对含硫天然气泄漏事故灾害影响区域分级预警及应急救援预案的制定具有一定的指导意义。

3　结　论

1)采用FLUENT软件可以模拟得到天然气管道泄漏后的浓度分布情况。在标准条件下，管道泄漏的天然气以自由射流的形式进入大气空间，射流气体浓度和速度分布相似，呈对称分布。在正浮力作用下，射流轴心线气体流速呈先增后减的规律，气体浓度在射流核心区极高，至边界层后逐步扩散；

2)环境风速对天然气泄漏扩散的有很大的影响。在风速的动压力作用下，H2S的浓度场向下风向发生了明显的偏斜，风速越大，喷射气流越容易发生倾斜，而且随着风速的增大，射流气体偏离竖直方向角度随之增大，但偏斜点离泄漏口距离减小。当风速为3 m/s时，在泄漏口上部50 m处发生倾斜，当风速为5 m/s时，在泄漏口上部35 m处发生倾斜，当风速为10 m/s时，在泄漏口上部15 m处发生倾斜；

3)环境风速对含硫天然气中H2S气体的危险区域也有一定的影响。环境风速越大，硫化氢对人体有危害的面积越小，危险区域越靠近地面。

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Numerical simulation for the leakage of natural gas with sulfur based on FLUENT software

WANG Ya-chao，LUO Zhen-min，XIAO Yang，CHENG Fang-ming

(1.CollegeofSafetyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China; 2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

The transportation pipe of 5thGas Recovery Plant with Petro China Changqing(PCOC)was simulated using FLUENT software to study the diffusion characteristics of natural gas in the pipe after leakage.The physical model was built according to the field investigation，and the diffusion characteristics at various air velocities were obtained at appropriate boundary conditions.The results indicate that the distributions of gas concentrations and velocities were both symmetric at windless conditions.The gas concentration field declines downstream due to the wind.At air velocities of 3，5 and 10 m/s，the decline of the jet gas started at 50，35 and 15 m above the leakage opening，respectively.Additionally，with the increase of the air velocity，the decline slope became larger,and the harmful area to humans from hydrogen sulfide was smaller.

numerical simulation；leakage of natural gas；air velocity；dangerous area

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0406

1672-9315(2016)04-0484-06

2016-03-25责任编辑：刘洁

国家自然科学基金(51304155)；博士启动基金(A5030144)；国家自然科学基金(51404192)；国家自然科学基金(51504187)

王亚超(1981-)，男，陕西宝鸡人，工程师，E-mail:28664676@qq.com

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