室内燃气泄漏扩散模拟研究

齐晓琳，李彦爽，刘 慧，倪志国，陈 哲

(1.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035; 2.北京市燃气集团研究院，北京 100011)

1 概述

随着燃气大量使用，燃气事故数量呈现逐年上升趋势，给居民生命安全造成潜在威胁[1- 2]。文献[3-4]对室内燃气泄漏特点进行了系统研究，对室内燃气泄漏的事故预防和应急处理具有重要意义。王国磊等[5]采用CFD技术研究了泄漏燃气在房间内的扩散规律，发现在房间无通风情况下，由于密度低于空气，燃气会在房间顶部聚积，形成具有爆炸可能的危险区域，并随着泄漏时间的增加，逐渐向房间下方移动。薛海强[6]对室内燃气泄漏扩散进行了数值模拟，研究了燃气种类、泄漏口位置、泄漏口径和泄漏压力等影响因素对室内燃气泄漏扩散过程的影响。张丽[7]运用CFD数值模拟软件对燃气在不同影响因素下泄漏扩散过程进行数值模拟，得到可燃气体浓度场的时空分布图，研究分析了室内燃气泄漏扩散的规律及可燃性气体爆炸危险区域的迁移规律。研究燃气泄漏扩散规律是研究爆炸的先决条件。

2 燃气泄漏质量流量计算

燃气泄漏质量流量与流动状态有关[8]。

当满足式(1)时，燃气为亚声速流动，燃气泄漏质量流量按式(2)计算[9]。

(1)

(2)

式中p0—— 环境绝对压力，Pa

p—— 管道内燃气绝对压力，Pa

κ—— 等熵指数，对于燃气，κ=1.3

qm——燃气泄漏质量流量，kg/s

Cdg——燃气泄漏系数，与泄漏口形状有关，此处取1.0

A——泄漏口面积，m2

M——燃气摩尔质量，kg/mol

R——摩尔气体常数，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)

T——燃气温度，K

当满足式(3)时，燃气为声速流动，燃气泄漏质量流量按式(4)计算[9]。

(3)

(4)

3 几何模型

某1室1厅1厨1卫住宅建筑面积为52 m2，外墙厚24 cm，内墙厚18 cm，利用FLACS子模块前处理器CASD的geomety板块构建三维几何模型，几何模型平面图见图1。图1中z轴垂直纸面向上，线段为各墙体中心线，未体现墙壁厚度。图1中各点x、y坐标见表1。地面z坐标为7.50 m，房间高3 m。厨房门高1.9 m，窗户高2 m，窗台距地面0.5 m。假定发生燃气泄漏时，窗户与入户门处于关闭状态，厨房门处于敞开状态，泄漏口中心坐标为(31.50，39.40，8.35)。

模型整体采用非均匀网格划分，泄漏口属于重点观察范围，进行了网格加密划分。

图1 几何模型平面图

表1 模型各点x、y坐标

续表1

4 室内燃气泄漏过程模拟及分析

4.1 泄漏场景模型参数设置

采用FLACS软件进行模拟。整套房间处于密闭状态。泄漏口为圆形，直径为20 mm，燃气压力为2 kPa[6]。利用公式(2)计算得燃气泄漏质量流量为0.016 kg/s。燃气温度20 ℃，泄漏过程持续200 s，泄漏口湍流强度为0.04，湍流长度尺度为0.000 5 m。分别对不同泄漏方向(y方向和z方向)的燃气泄漏扩散过程进行模拟，在CASD场景设置中，将y正方向的泄漏场景命名为场景1，将z正方向的泄漏场景命名为场景2。设置环境温度为20 ℃，大气压力为0.1 MPa，大气稳定度0，地面粗糙度0。燃气组成设置为纯甲烷。

本文图2～4、6～8色标均为燃气体积分数。

4.2 场景1模拟结果分析

场景1泄漏方向指向厨房门。场景1燃气泄漏20 s、100 s、200 s后的可爆炸气云分别见图2～4。

由图2可知，燃气泄漏20 s后，具有爆炸可能性的危险区域较小，仅局限在厨房内部，近泄漏口位置燃气体积分数最大。从图2b可以看出，气云前端向上倾斜，这是因为燃气密度小于空气，受浮力作用。

图2 场景1燃气泄漏20 s后的可爆炸气云(软件截图)

由图3可知，当泄漏100 s后，具有爆炸可能性的危险区域进一步增大，延伸至客厅。气云中心高燃气体积分数区域呈现出增大的趋势，由于室内为密闭空间，因此不受风场影响，气云整体扩散趋势与泄漏20 s时一致。

图3 场景1燃气泄漏100 s后可爆炸气云(软件截图)

当燃气泄漏200 s后，从图4a可知，可爆炸气云已经扩散到了客厅中间区域，燃气体积分数呈现不均匀分布状态，房间内危险区域增加，爆炸概率进一步增大。从图4b可以看出，可爆炸气云已经扩散至入户墙(入户门所在墙)，通常情况下，入户墙上有入户灯开关，一旦有人进屋开灯，极易产生电火花，爆炸风险很大。

图4 场景1燃气泄漏200 s后可爆炸气云(软件截图)

图5为场景1客厅内6个不同高度观测点燃气体积分数随泄漏时间的变化曲线，6个观测点x、y坐标相同，x=31.50 m，y=41.90 m，高度分别为距地面0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m。由图5可以看出，随着泄漏时间增加，各观测点燃气体积分数随泄漏时间呈现逐渐增加的趋势。距地面0.5 m观测点燃气体积分数最小，泄漏200 s后仍远低于爆炸下限。距地面0.5 m 、1.0 m、1.5 m观测点燃气体积分数虽有增加趋势，但泄漏200 s后仍未达到爆炸下限。距地面2.0 m、2.5 m观测点分别在泄漏180 s、130 s时达到爆炸下限。距地面3 m观测点燃气体积分数最大，泄漏80 s时达到爆炸下限。

图5 场景1客厅内6个不同高度观测点燃气体积分数随泄漏时间的变化曲线

4.3 场景2模拟结果分析

场景2燃气泄漏20 s、100 s、200 s后的可爆炸气云分别见图6～8。由图6a可知，燃气泄漏20 s后，可爆炸气云区域较小。由图6b可知，可爆炸气云尖端向墙发生了倾斜。泄漏场景设置为无风条件，因此推测倾斜原因是伯努利原理导致。即燃气泄漏后，由于泄漏口面积较小，泄漏压力较大，燃气呈喷射状泄漏，导致泄漏速度较大，使周围流场发生变化，由于泄漏口距墙较近，与墙之间的压力减小，致使燃气泄漏扩散气云发生倾斜。

从图7a可知，由于泄漏口距离厨房屋顶仅约2 m，泄漏100 s后可爆炸气云已经到达厨房屋顶，泄漏燃气向屋顶扩散并聚积。由图7b可以观察到，可爆炸气云没有沿着喷射方向垂直扩散，而是在伯努利原理作用下，向相邻墙壁倾斜，并沿着墙壁扩散。

图6 场景2燃气泄漏20 s后可爆炸气云(软件截图)

图7 场景2燃气泄漏100 s后可爆炸气云(软件截图)

图8 场景2燃气泄漏200 s后可爆炸气云(软件截图)

由图8可知，当燃气泄漏200 s后，厨房屋顶已经聚积了一定量的燃气。由于具有一定速度，泄漏燃气在接触屋顶时，受屋顶阻挡向下扩散。由图8b可以观察到，燃气泄漏200 s后，燃气已经沿着厨房屋顶扩散至客厅，并向入户墙方向扩散。

图9为场景2客厅内6个不同高度观测点燃气体积分数随泄漏时间的变化曲线，6个观测点同场景1。随着泄漏时间增加，不同高度下燃气体积分数呈现出逐渐增加的趋势。由于该场景泄漏方向为竖直向上，燃气泄漏后先在厨房屋顶聚积，然后才沿着屋顶扩散至客厅，导致客厅内观测点处的体积分数均较小，只有靠近屋顶的观测点在泄漏较长时间后达到爆炸下限。

图9 场景2客厅内6个不同高度观测点燃气体积分数随泄漏时间的变化曲线

5 结论

① 当室内燃气泄漏时，靠近泄漏口位置燃气体积分数最大。随着泄漏时间持续，燃气在房间内呈现非均匀分布状态。受浮力影响，泄漏燃气向屋顶扩散并聚积，因房间处于密闭状态，燃气体积分数处于爆炸范围的危险区域较大。

② 泄漏方向对可爆炸气云分布起关键作用。当泄漏方向为竖直向上时，泄漏燃气会先在厨房内聚积。当泄漏方向为水平指向厨房门时，可爆炸气云会穿过厨房门扩散至入户墙。入户墙上往往设有入户灯开关，一旦有人进屋开灯，极易产生电火花，爆炸风险很大。