城市建筑环境下燃气泄漏扩散的数值模拟

阿克兰

（常州大学石油工程学院，江苏常州 213000）

天然气管道发生泄漏会造成一定的危险性，很有可能造成爆炸等危害性极大的事故[1]。通过对泄漏气体扩散之后危险范围的研究，可以确定天然气泄漏扩散形成的危险区域。天然气为易燃易爆，有毒有害混合物，一旦泄漏扩散，极易引起爆炸燃烧事故，造成人员伤亡[2]。对于天然气管道泄漏扩散的数值模拟可以准确预测泄漏扩散范围和危险区域，为决策者及时有效地疏散居民并采取适当的救援措施提供科学指导。

1 数值模拟建立模型及边界条件设置

建立几何模型时，设置道路总宽24m，建筑物高30m，天然气管道敷设在人行道中央，距离右侧建筑物2m。沿道路敷设的天然气管道因第三方破坏而断裂，导致在地面处发生天然气泄漏。简化上述模型，设置泄漏口圆心距离坐标原点85m，泄漏口附近压力梯度变化极大，所以在泄漏口划分的网格采用加密处理，以确保有较好的计算精度。此次模拟的管道压力为0.4MPa，管道内径为0.2m，故泄漏孔径设为0.2m，即管道完全断裂。据文献[3]计算得到泄漏量为5.75kg/s，出口边界与大气相连，定义为压力出口，环境温度为15℃。

2 模拟结果分析

2.1 泄漏时间

在不考虑风速的前提下，基于上述模型和边界条件进行模拟计算，得出天然气泄漏扩散后甲烷体积分数随时间的变化见图1（图1a～图1c）中，水平方向数值表示到原点的距离，竖直方向数值表示高度，单位为m；色阶图表示甲烷体积分数）。

图1 甲烷体积分数随时间的变化

由图1a 可知，t=0.1s 时建筑物对泄漏扩散没有影响，射流轴线两侧压力保持平衡。t=3s 时由于建筑物的影响，射流中心线右侧没有足够的空间，而左侧天然气气流不断卷吸周围的空气，带动周围空气进入边界层向射流中心扩展，增加边界层厚度，使过流断面沿射程逐渐增大，由于重力与浮力的不平衡作用，无法形成对称射流，射流中心线向右侧倾斜。随着扩散继续进行，t=6s 时向右侧倾斜的气流带动更多天然气靠拢并紧贴建筑物向上扩散，而在底部泄漏口与建筑物之间则产生涡流现象。

2.2 管道压力

模拟管道直径和泄漏孔径均为0.2m，管道压力p分别为0.4MPa、0.8MPa 和1.6MPa（时 泄 漏 量 分 别 为5.75kg/s、10.65kg/s、20.30kg/s）的泄漏扩散情况。如图2（图2和图3中，靠近右侧的图为局部放大图，图中甲烷体积分数分布为t=10s时的值），随着管道压力的增加，泄漏量上升，泄漏速度提高，射流主体段卷吸的空气量小，泄漏口处的扩散效应逐渐明显，即加速的射流气体和周围气体进行更为剧烈的质量、动量交换，使得射流过流断面不断变大，最终扩大天然气的扩散范围。

图2 不同管道压力下泄漏空间甲烷体积分数分布及局部放大图

2.3 泄漏口与建筑物距离

模拟管道压力为0.4MPa，管道直径为0.2m，泄漏孔径为0.2m 情况下，在泄漏口与建筑物距离L分别为0.5m、1m、2m 时的泄漏扩散情况。不同泄漏口与建筑物距离时甲烷的体积分数分布及局部放大图见图3。泄漏量相同的情况下，随着泄漏口与建筑物距离增加，射流受建筑物影响减小，泄漏口处射流弯曲弧度变小，涡流区区域及危害范围减小，贴附建筑物扩散危险系数降低。

图3 泄漏口距建筑物不同距离时泄漏空间甲烷体积分数分布及局部放大图

3 结论

1）在射流初始阶段，高速气流带动空气向上运动，随着射流高度的增加，气体射流速度逐渐减小，甲烷逐渐向四周扩散。

2）建筑物对甲烷体积分数分布和变化产生很大影响，射流轴线向建筑物发生偏转，扩散气体沿建筑物壁面向上运动。

3）在高空扩散的甲烷对居民危害不大，但泄漏的天然气紧贴泄漏口附近的建筑物壁面向上扩散，若从开启的门窗扩散到住宅内，可能造成爆炸。