CNG长管拖车隧道泄漏扩散CFD仿真研究*

焦振涛 赵建平

(南京工业大学机械与动力工程学院 南京 211816)

0 引言

CNG长管拖车作为天然气道路运输重要工具，广泛活跃于中小型城市及天然气管网受限区域。伴随越来越多的CNG长管拖车投入运行，由于设备老化、机械疲劳、交通事故、违章操作等原因，天然气在道路运输过程中事故数量急剧增加[1]。天然气是易燃易爆气体，一旦泄漏将导致严重后果，因此针对CNG长管拖车运输过程中突发性泄漏扩散分析研究愈发重要。隧道是一个相对封闭和狭隘的空间，一旦发生泄漏容易造成天然气堆聚，给事故抢险救援带来困难。因此，有必要针对CNG长管拖车在隧道环境下的泄漏扩散规律展开研究，从而为相关事故提供应急支持。

当下对于危险气体道路运输失效事故方面的研究主要集中于事故相关数据的统计及分析。陈杰等[2]通过统计2004年10月至2007年12月北京、重庆、上海等16个城市CNG加气站的上百起事故，对CNG泄漏事故后果和财产损失展开了分析研究。近年来关于道路运输天然气泄漏事故的研究大多集中于液化天然气(LNG)，针对压缩天然气(CNG)失效泄漏后果方面研究较少[3]。

鉴于此，本文运用计算流体动力学的Fluent软件，构建CNG泄漏扩散模型，开展CNG长管拖车在隧道内泄漏扩散数值模拟，主要考虑隧道风速、泄漏口径、后方车距对天然气在隧道环境扩散规律的影响。

1 构建CNG泄漏扩散数学模型

1.1 控制方程

天然气的扩散机理需要满足动量守恒、能量守恒、质量守恒等3个基本方程。由于天然气是一种包含甲烷、乙烷、丙烷等物质的多组分混合介质，故而其扩散过程还需遵循组分守恒方程。4个基本守恒方程[4]可统一数学表达式为

(1)

式中，ρ为气体密度，kg/m3；φ为通用变量；Γ为扩散系数；S为源项。

1.2 湍流模型

由于CNG长管拖车在储运天然气时有较高的装载压力，故失效泄漏发生时，天然气会以较高的速度从气瓶喷射而出，整个泄漏过程为湍流运动。k-ε模型在当下湍流数值模拟中有颇为广泛的应用，包括标准k-ε模型、重整化群k-ε模型以及现实k-ε模型。TAUSEEF S M等[5]研究表明，现实k-ε模型对高速射流运动有较好的模拟效果和计算精度。因而，采用现实k-ε模型对CNG长管拖车的泄漏扩散行为进行计算[6]，方程为

(2)

(3)

式中，k为湍流动能；ε为湍流耗散率；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能；Gb为由浮力引起的湍动能；YM为可压湍流脉动扩张对整体耗散功率的影响。

1.3 泄漏源模型

CNG长管拖车失效后的气体泄漏速率主要取决于气体的流动状态，故而计算天然气泄漏速率之前，首先要判断泄漏时气体流动状态为音速流动还是亚音速流动。当式(4)成立，则气体流动状态为音速流动，反之则为亚音速流动[7]。

(4)

式中，p0为大气压力，Pa；p为介质压力，Pa；k为气体绝热指数。

气体呈音速流动时，其泄漏速率Q计算方法为

(5)

式中，Cd为气相泄漏系数，由泄漏裂口形状决定，长方形取0.90，三角形取0.95，圆形取1.00；A为泄漏口面积，m2；M为相对分子质量，kg/mol；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为介质储运温度，K。

2 CFD模型建立

2.1 问题描述

本文以某交通隧道为例建立物理模型，隧道长140 m，内边界宽10.3 m，高6.5 m。CNG长管拖车相关数据选取中国特检院提供的车辆信息，具体如表1所示。

表1 CNG长管拖车基本参数

2.2 网格划分

根据上述问题，利用ICEM针对不同工况建立相应物理模型以及划分网格，取用四面体与六面体结合的方式对整个流体域进行网格划分，如图1所示。在泄漏口及车辆附近等梯度变化较大区域进行网格加密操作，自泄漏口至后方车辆取用渐变稀释处理，确保达到较好计算效果及模拟精度。

(a)整体网格模型

2.3 边界条件

边界条件的合理设定对于Fluent的精确模拟尤为重要，直接关系到残差曲线的收敛效果和计算模拟的精确合理性，具体设定如表2所示。

表2 边界条件设定

3 数值模拟及结果分析

天然气是一种以甲烷为主要成分的烷烃类易燃易爆混合气体，若道路运输过程中发生失效泄漏，极易导致燃烧爆炸。天然气的危险特性主要体现在窒息性、易燃性、易爆性等3个方面，天然气在空气中的窒息浓度为25%，燃爆极限为5.3%～15%，根据天然气体积分数的分布可将危险区域划分为窒息危险区和燃爆危险区。相比于窒息浓度、燃爆上限，天然气的燃爆下限最低，扩散区域最大，因此本文以天然气在空气中体积分数5.3%建立等值面，研究CNG长管拖车泄漏天然气的过程，分析天然气扩散危险区域分布。

3.1 风速对泄漏扩散的影响

选取后方车距4 m，泄漏口径80 mm为例，分别对风速2，4，6，8 m/s等4种工况下CNG长管拖车在隧道失效泄漏天然气展开计算模拟，分析不同风速环境下天然气扩散体积分数分布规律，如图2所示。

(a)u=2 m/s

由图2可以看出，空气流动可促进天然气在隧道的扩散。当风速为2 m/s时，天然气扩散危险区域最小，危险浓度仅到达后方车辆前侧。伴随风速自2 m/s逐步增大至6 m/s，天然气扩散危险区域不断增大，且在风速为6 m/s时危险区域达到最大，近乎将后方车辆完全覆盖。随着风速继续增大至8 m/s，危险区域不断减小。因此，增大风速有利于CNG长管拖车隧道泄漏天然气的扩散，但是存在6 m/s的危险风速。

3.2 泄漏口径对泄漏扩散的影响

选取后方车距4 m，危险风速6 m/s为例，分别对泄漏口径为40，60，80 mm等3种工况下CNG长管拖车在隧道失效泄漏天然气展开计算模拟，分析不同泄漏口径下天然气泄漏扩散规律，如图3所示。

(a)d=40 mm

由图3可以看出，天然气在隧道泄漏扩散危险区域大小与泄漏口径呈正相关。泄漏口径直接影响CNG长管拖车的泄漏速率，进而影响天然气的扩散范围以及危险区域大小。泄漏口径为40 mm时，天然气扩散危险区域最小，伴随泄漏口径的增大，CNG长管拖车的泄漏速率逐步提升，导致天然气扩散范围和危险浓度区域不断变大。当泄漏口径为80 mm时，危险区域近乎将后方车辆全面覆盖。

3.3 前后车距对泄漏扩散的影响

通过数据统计，在实际工程中CNG长管拖车失效泄漏口径大多在60 mm以下。因此，选取泄漏口径60 mm，危险风速6 m/s对CNG长管拖车在隧道环境下后方安全车距展开模拟研究。分别对后方车距为4，6，8 m等3种工况下CNG长管拖车在隧道失效泄漏天然气展开计算模拟，分析不同车距下天然气泄漏扩散规律，如图4所示。

(a)l=4 m

由图4可以看出，后方车辆会阻碍天然气的泄漏扩散，造成危险区域增大。在图4(a)和图4(b)中，天然气体积分数5.3%等值面均有颈缩现象发生，这是由于天然气自泄漏口喷射而出，体积分数随距离增加而不断减小，但由于后方车辆的阻碍作用，后车前端形成气体低速积压区域，导致天然气在后车前侧大量堆积，故而产生危险区域颈缩现象。后方车距为4 m时，危险区域对后方车辆有较大的覆盖面积；后方车距为6 m时，危险区域仅覆盖至后车前侧；后方车距为8 m时，后方车辆完全脱离天然气泄漏扩散危险区域。

4 结论

CNG长管拖车作为道路运输天然气承压设备，运行过程中不可避免需要经过一些特殊场景，故而合理有效预测CNG长管拖车在隧道工况泄漏天然气扩散规律，对确保天然气安全道路运输和CNG长管拖车隧道突发性泄漏事故应急抢险尤为重要。本文基于CFD原理，运用Fluent建立CNG长管拖车在隧道泄漏天然气扩散模型，研究隧道风速、泄漏口径及后车间距对天然气扩散的影响，结论如下：

(1)空气流通有利于天然气扩散，伴随风速增加，天然气扩散危险区域先增大后减小，且在风速6 m/s时危险区域最大，故而风速6 m/s为CNG长管拖车在隧道泄漏天然气扩散的危险风速。鉴于此，实际工程抢险中，可以通过向隧道通风，加大隧道风速，促进天然气的扩散，降低天然气体积分数，减小危险区域面积，但需避开6 m/s危险风速。

(2)隧道风速、泄漏口径、后车间距等3种因素均会对天然气扩散危险区域分布产生一定影响。其中泄漏口径对危险区域大小影响最为明显，泄漏口径越大，天然气的扩散范围以及危险区域越大。所以在工程应用中，应加强CNG长管拖车的安全防护，建立健全CNG长管拖车操作规程和管理制度，通过避免或减小泄漏口径来预防CNG长管拖车在行驶过程中失效泄漏天然气事故的发生。

(3)后方车辆会阻碍天然气的扩散，导致天然气堆积，且车间距越小阻碍现象越明显。当车距<6 m时，后方车辆前端会被天然气危险区域所覆盖，若后方车辆未能及时熄火，极易造成火灾爆炸事故。因此在隧道行驶过程中，车辆应与CNG长管拖车保持安全车距≥8 m，且一旦发生泄漏立即熄火，迅速移动至车辆上风口。