室内天然气泄漏的数值模拟及后果分析

王岗

（重庆市合川区经济和信息化委员会，重庆 401520）

1 前言

近年来，人工煤气、液化气、天然气等清洁能源，已经成为城市居民生活燃料的主力，随着环保要求的逐步提高，工业领域对清洁能源的使用范围也在不断扩大。但是，同时，气体燃料易泄漏，也易燃易爆，当可燃气体在室内有限的空间（比如厨房）发生泄漏时，有发生火灾和爆炸的危险。我们都知道，气体比重不同，加上门窗等通风条件有限制，室内的燃料浓度分布会有—个非均匀的变化过程，并且，气体达到燃烧着火和爆炸时要达到一定浓度界线。所以，本文提出，系统地科学地研究室内燃气泄漏的发展和扩散过程，直到爆炸发生的危险性，对于防止火灾发生和危险防控具有重要的意义。目前，可燃气体在室外的泄漏扩散过程进行的研究很多，例如，方自虎对城市共同沟内燃气泄漏扩散过程的模型试验与数值仿真。Young-Do Jo等提出了一种简单模型，描述高压管网危险气体泄漏速率。但这些研究大多是针对大气环境和燃气高压管网。当然，也有对室内天然气泄漏的研究范例，例如，重庆大学黄小美等对室内天然气泄漏后的浓度场及可燃区域分布进行了实验验证和数值模拟，并对室内天然气泄漏做了较为完善的研究，但在模拟厨房这种狭窄空间的天然气泄漏没有考虑窗户开启及室外风速对天然气扩散的影响，也没有考虑当地天气气象条件对然气泄漏的相关影响。本文综合了已有研究成果，聚焦精准确定燃气泄漏可能造成的损失以及发展趋势，在不同的气象条件和不同房间（厨房等）环境因素，得出不同月份、不同季节、不同温度下对室内燃气浓度变化的影响，使得本文的研究成果更具有现实参考价值。

2 数值计算模型

2.1 几何模型

如图1，本文模拟厨房长、宽、高分别为4000mm、2000mm和2500mm；厨房门的高、宽为2000mm和800mm；窗户的高和宽分别为1200mm和1000mm，窗户底边到地高度为1000mm。燃气泄漏位置在门对面墙壁上，离地面的高度为1000mm，取值《城镇燃气室内工程施工及验收规范》(CJJ 94-2003)，天然气管道的内径为20mm。

利用Gambit建模软件建立如图1所示的厨房的三维模型。燃气泄漏口形状设为圆形，位置在后壁面上；厨房门的位置在前壁面上，可视为逃生出口。模拟过程中，门和窗都同时开启或关闭，不同的情况设置为不同类型的出口，除了门窗和泄漏点，剩余的壁面都为不可穿的墙体。建模后用Gambit自动划分网格，网格之间的距离设为40mm。

图1 厨房的几何模型

2.2 数学模型

空气和天然气在房间内充分混合，基本控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

组分方程：

2.3 数值计算设置

根据《城镇燃气设计规范》(GB 50028—93)规定，燃气管道的末端压力为1.1个标准大气压。低压工况下，将天然气流动设为不可压缩流动，因此，在Fluent中选择分离式求解器；根据三维非稳态一阶隐式模式（计算模式），空气与天然气密度不同，需要开启重力项。采用标准k－ε模型为计算模型；开启能量方程、组分输运模型。泄漏口定义为气体速度入口，温度为300K。将天然气等视为甲烷，所以进口天然气的质量分数定义为1；由于低压天然气泄漏对厨房以及相关密闭空间内气压影响非常微小，所以出口选为1个大气压的压力出口边界条件。离散格式除算法外均取默认值，算法选择为PISO算法。泄漏口的流速设为15m/s。整个流场中，天然气初始质量分数设为0，氧气的初始质量分数设为0.233。迭代的时间步长设置为5s，迭代次数设置为1000次。重庆属于夏热冬冷，冬季不采暖。冬季和夏季时室内外温差较大，房间通风量受到风压和热压共同作用，春季和秋季是过渡季，室内外温差基本很小，热压作用有限，只考虑风压的作用。本文以2007年重庆市各月的室内室外空气参数（取自《中国统计年鉴》）进行计算，详见表1。

表1

本文考虑外界风速是房间处于负压区、天然气为正压区，当天然气在厨房泄漏时的扩散情况，当房间处于正压时，厨房门边界条件设置为压力入口，表压设置为10Pa，窗户设置为出口；当房间处于负压时，厨房窗边界条件设置为速度入口，取风速为1m/s，门设置为出口。依次进行迭代计算。

3 天然气泄漏扩散数值模拟结果分析

3.1 房间处于负压

房间处于负压时，室外空气通过窗户进入室内，如图所示，图2为t=500s时厨房内天然气扩散情况。由于天然气密度比空气小，所以天然气会在上层空间聚集，天然气浓度随高度增加而增加，泄漏口附近的天然气浓度分布受室外气流的影响，向厨房入口侧偏移。厨房入口侧天然气浓度比较高。从图中还可以看出，窗户顶部空间天然气浓度比较高，这是由于窗户有气流进入，同时与周围空气形成涡流卷吸效应。图3是X=2m处截面上天然气浓度分布，可以很清楚地看出天然气在垂直方向上的分层分布。

图2 t=500s时天然气浓度分布

图3 t=500s时X=2m 截面天然气浓度分布

天然气体积分数的爆炸极限为0.05～0.15，换算成质量分数对应的爆炸极限为0.0284～0.0892，天然气的浓度均以质量分数来表示。图4、图5、图6分别是t=300s，t=500s，t=1500s时天然气可燃区域范围，可以看出，随着时间推移可燃区域范围越来越大，尤其是厨房出口门附近的天然气可燃区域范围较大。

图4 t=300s时天然气可燃区域

图5 t=500s时天然气可燃区域

图6 t=1500s时天然气可燃区

3.2 房间处于正压

在夏季，室外温度低高于室内，由于热压的作用，窗户成为出风口，而门变成压力入口，如图7所示，为t=500s时厨房内天然气浓度分布情况，可以看出，门周边区域天然气含量低，天然气浓度分布偏向窗户侧。图8是天然气在X=2m处截面的浓度分布，明显可以看出其浓度场较图3混乱，可能是由于门开口不规则导致厨房内部气流流场不规则导致的。

图7 t=500s时天然气浓度分布

图8 X=2m处截面天然气浓度分布

如图9～11所示，天然气可燃区域随时间在窗附近迅速扩大，但在t=1500s时与t=1000s时相比，其可燃区域变小，可以看出，房间处于正压时更有利于稀释天然气浓度。

图9 t=300s时天然气可燃区

4 结语

本文分别对房间处于负压、正压时厨房内天然气浓度分布及其可燃区域范围进行了数值计算模拟。我们可以得到以下结论：房间处于负压时，由于热压及风压的作用，室外空气从窗流入厨房内，其加速了泄漏的天然气向流动出口门的扩散，当门开启时，扩散的天然气就会很快扩散进入卧室、客厅等室内空间，发生事故的概率就更大。

当房间处于正压时，此时室内气流主要受热压的作用，室内空气通过窗流向室外，室内空气流动使得泄漏的天然气在室内迅速地扩散，尤其在流动出口窗附近天然气浓度较高，之后天然气经窗户向室外空间扩散，天然气浓度下降，可燃区域减小，可以看出，窗户的开启对预防室内天然气泄漏导致的爆炸是有益的。故房间处于正压且窗户开启时是最有利的。

图10 t=1000s时天然气可燃区

图11 t=1500s时天然气可燃区