输气管道泄漏过程的CFD数值模拟
2020-06-13张梦真邱汉青
陆 冰 张梦真 李 莹 郭 攀 邱汉青
1 河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002） 2 郑州大学力学与工程科学学院（450000）
1 软件与理论知识介绍
1.1 ICEM 前处理软件
ANSYS ICEM CFD 简称 ICEM。 ANSYS ICEM CFD 是一款功能强大的前处理软件，不仅可以为主流的CFD 软件（如FLUENT、CFX）提供高质量的网格， 而且还可以完成多种CAE 软件 （如ANSYS、Abaqus、LS-Dyna） 的前处理工作。 ANSYS ICEM CFD 是目前市场上最强大的六面体结构化网格生成工具。 随着ANSYS ICEM CFD 在我国的普及和应用，其网格生成优势已被业界认可，越来越多的工程人员选择使用ANSYS ICEM CFD 生成网格[1]。
1.2 FLUENT 流体仿真软件
CFD 软件 （Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学,简称CFD。CFD 是近代流体力学、数值数学、计算机科学结合的产物。 它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟，以解决各种实际问题[2]。
1.3 有限体积法
有限体积法，又被称为有限容积法。 以守恒型的方程（如：一维对流方程）为出发点，进行网格划分之后，对流体经过的每一个单元区域进行积分平均化处理。 有限体积法的推导计算过程包括：网格划分（网格可以任意划分）、在各单元对方程进行积分平均得到相应的离散形式的代数方程、代入边界条件联立离散化的代数方程进行求解[3]。
2 建模与计算有关介绍
2.1 渗透
目前我国天然气输气管道最大管径为1 420 mm，在城市中的管道直径、管道中的输气压力、管道埋深均较小。 城市中由于人口较多，贯穿城市的输气管道压力不宜过大，一般为中低压输气管道。管道可按天然气压力大小分类，见表1。
表1 天然气压力大小分类（单位：MPa）
1）物理模型的简化过程
在模拟天然气泄漏之后在土壤中的渗透时，假定土壤为各向同性，泄漏简化为球状泄漏，即天然气在土壤中向四面八方以相同的方式渗透，相当于在土壤中存在一个天然气泄漏源头（可以理解成点光源），这样就可以把问题简化为二维。 从安全的角度考虑，可以取泄漏压力为2 MPa 的高压燃气管道进行模拟分析。 在城市中，机动车不能到达的地方管道埋深要求不低于0.3 m； 埋设在车行道之下的输气管道，埋深要求不低于0.9 m。
2）参数设置
取天然气管道泄漏直径为100 mm，埋深分别为0.3 m 和0.9 m（即泄漏源处在距地表的相应距离处）分别进行模拟，计算域为平面矩形（也即整个模型为一个平面矩形）。 天然气主要成分为甲烷，甲烷密度为 0.648 kg/m3，粘度为 11.067 pa·s，惯性损失系数为0，重力加速度取9.81 m/s2；入口设置为压力入口，初速度取为0，入口压力为2 MPa；出口设置为压力出口，压力大小为一个标准大气压；选择湍流模型，多孔介质模型，土壤孔隙率取为0.5 m/s。
3）网格及计算结果云图
埋深为0.3 m 时的情况，如图1～图7 所示。
图1 整体网格
图2 局部网格
图3 压力云图
图4 局部速度矢量图
图5 局部压力云图
图6 速度云图
图7 局部速度云图
埋深为0.9 m 时的情况，如图8～图14 所示。
图8 整体网格图
图9 局部网格图
图10 整体压力云图
图11 局部速度矢量图
图12 局部压力云图
图13 速度云图
图14 局部速度云图
由以上计算输出的云图可得出以下结果：
1）埋深为0.3 m 的管道，当天然气渗透到地表时，最大速度约为2.2×10-3m/s；天然气在渗透到地表时，形成了直径约为1 m 的圆形气池。
2）埋深为0.9 m 的管道，当天然气渗透到地表时，最大速度约为8.64×10-4m/s；天然气渗透到地表时，形成了直径约为1 m 的圆形气池。
由此，高压输气管道天然气泄漏之后在孔隙率为0.5 m/s 的土壤中的渗透速度较慢，100 mm 的泄露小孔的渗透范围较大，达1 m 左右。
2.2 扩散
由以上渗透的结果可以看出， 天然气管道的埋深无论是0.3 m 还是0.9 m，当天燃气扩散到地表之后，形成的气池宽度均约为1 m。 因此，在扩散的模型中，扩散源可近似假设为1 m 的圆形平面。 上述两种情况的结果中，天然气扩散到地表的最大速度约为2.2×10-3m/s，在扩散的天然气入口一面，可取极端速度5 m/s。
扩散模型及参数设置： 以天然气在地表形成的气池为中心，建立一个半球为计算域，地表为壁面。选择模型为湍流k-epsilon 模型，多组分运输模型，组分中只含有甲烷和空气。 入口处为上一步渗透出的天然气，入口设置为速度入口，初始速度为55 m/s，方向取为垂直入口表面，压力取为一个标准大气压；另外上半球面的一半作为空气入口（图15 所示右半球面），设置为速度入口，初始速度设置为1 m/s 和5 m/s（两种情况下的模型图、网格图相同），方向为沿矢量（0，0，1）方向，压力取一个标准大气压；另外一半球面作为自由出口； 重力加速度取9.81m/s2；甲烷气体的各项参数与上述渗透时相同。则扩散的模型、网格及计算结果云图如下：
图15 模型图
图16 整体网格图
图17 局部网格图
空气入口速度为1 m/s 的计算结果 （以下均为x=0 平面上的切片图）：
图18 速度切片云图
图19 局部速度矢量图
图20 甲烷的密度分布
图21 甲烷的质量分数分布图
结果分析：
1）由图18 和图19 可以看出天然气在以1 m/s的运动的风的作用下， 沿着风的运动方向进行扩散， 天然气的扩散范围约在左侧与地表成60°的空间内，扩散范围大。
2）由图20 和图21 可以看出，天然气主要分布在约与左侧地表成45°的空间内， 局部最高密度达1.02 kg/m3，已达到天然气的爆炸极限，遇明火时将会发生火灾或者爆炸造成严重的后果。
空气入口速度为5 m/s 的计算结果 （以下均为x=0 平面上的切片图）：
图22 速度切片云图
图23 局部速度矢量图
图24 甲烷的密度分布
图25 甲烷的质量分数分布图
结果分析：
1） 由图22 和图23 可以看出天然气在以5 m/s的运动的风的作用下，沿着风的运动方向进行扩散，天然气的扩散范围约在左侧与地表成45°的空间内，扩散范围较大。
2）由图24 和图25 可以看出，天然气主要分布在约与左侧地表成15°的空间内， 局部最高密度达0.993 kg/m3，已达到天然气的爆炸极限，遇明火时将会发生火灾或者爆炸造成严重的后果。
3 总结
天然气属于危险性气体，极易燃烧爆炸，在泄漏之后，很容易就达到天然气的爆炸极限。 在前面有关渗透的计算中，我们可以看到，天然气泄漏之后，渗透到地表形成了直径将近1 m 的圆形气池，相对于100 mm 的小孔来说还是挺大的。因此，天然气的渗透范围较大。 另外在上述两个扩散算例中，当风速较小时，天然气局部浓度较大，扩散范围较大，更容易造成气体中毒事故或发生爆炸火灾等事故；当风速较大时，天然气局部浓度也可以达到爆炸极限，扩散范围较小，但扩散速度较快，可能会造成附近居民来不及撤离的现象，依然是很危险的。 因此，风速较小时，随着时间的增长，天然气扩散范围大，局部浓度高，极具危险性；风速较大时，天然气扩散速度快，范围较小，局部浓度较低，但也不排除遇明火发生爆炸的危险，风速较大时也意味着火势发展速度快、波及范围广。 天然气发生泄漏事故时，一定要及时处理，规避危险。 对天然气泄漏扩散的模拟探索，是为了掌握天然气渗透扩散的运动规律，以解决实际生活中遇到的类似问题。
