城镇建筑物附近天然气管道泄漏模拟分析

材料缺陷等因素，天然气管道泄漏事故发生的频率逐年上升。在城市管网系统中，由于监管检测和应急抢险设施还不够完善，管道内部出现故障不易被发现，一旦天然气发生泄漏，泄漏的有毒气体不仅会危害我们的身体健康还会造成环境污染。更为严重的是，泄漏的易燃易爆危险气体会迅速与周围空气混合形成新的危险气体，当气体浓度达到爆炸极限，遇到静电或者火花极易发生燃烧或爆炸，从而造成人员伤亡和财产损失等。本文以流体控制方程为基础，建立了城镇燃气埋地管道泄漏扩散物理模型，分别分析与讨论了非稳态情况下，风速、泄漏速度、埋地深度和建筑物对天然氣泄漏的影响及其变化规律。

1 模型的建立

1.1 三维模型

结合现有城镇燃气管网的敷设概况，利用CFD前处理建立模型，其中包括气体扩散区域，泄漏土壤区域。管道埋地深1.5m，且位于人行道中心位置。图1中泄漏区域发生在土壤层中，命名土壤层为SOIL；不考虑管道内部气体流动状态，建立有限元模型时忽略管道壁厚，仅建立管壁上的泄漏口即可，泄漏口命名为Gasin；土壤层上面为扩散区域（也就是大气空间），命名为Air；土层与空气交界面为地表，命名为Ground。图1为泄漏扩散模型，该模型为基础模型，后文中不同运行压力泄漏扩散模型、不同泄漏位置泄漏扩散模型以及不同风速风向下泄漏扩散模型均以此为基础，除不同地形辅助一些建筑物之外，然后改变运行参数、管道自身参数以及环境参数，其他参数均与该模型设置相同[1-4]。

1.2 数学模型

流体流动均需受守恒定律的控制，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。若流动包含有不同组分的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。若流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程[5，6]。

1.3 参数设置和边界条件

1.3.1 参数设置

管道的泄漏口（gasin）边界定义为速度入口边界（Velocity-inlet）；模拟计算区域左侧定义为风速入口（airin），设定为速度入口边界（Velocity-inlet），并且风速随着高度变化进行 UDF（User-Defined） 修正；上边界为压力出口（top），边界定义为压力出口（Pressure-out）；右边界也为压力出口（out），边界定义为压力出口（Pressure-out）；上部泄漏空间（AIR）和土壤区域（SOIL）定义为 Fluid 区域。

CFD基本参数设置如下（图2）：

（1）求解器类型：选择基于压力法的求解器，隐式（Implicit），2D，时间类型：稳态/非稳态（Steady/Usteady），速度方程选择计算时速度为绝对速度（Absolute），Green-Gauss Cell Based；

（2）重力设置：考虑重力影响，在Operating Conditions对话框里勾选Gravity复选框，X方向重力加速度为0，Y方向重力加速度为-9.81；

（3）能量方程：勾选Energy Equation 复选框，激活能量方程；

（4）湍流模型：选择可实现（Realizable k-ε） k-ε模型，考虑全浮力影响（Full Buoyancy Effects）；

（5）物质材料定义：在FIUENT数据库里选择甲烷Ch4（methane），参数选择默认值；定义土壤类型，物质类型为Solid，密度（Density）为1500 kg/m3，比热（CP）为2200 ，热传导系数（Thermal Conductivity）为1.5 W/（m∙K）；

（6）组分输运和反应模型：选择无化学反应的组分输运，混合物质（Mixture Material）选择甲烷和空气混合（methane-air）。

1.3.2 边界条件

（1）定义泄漏口（gasin）为速度入口（velocity-inlet），泄漏速度（Velocity-Magnitude）为80m/s，当量直径（Hydraulic Diameter）为0.1m，甲烷体积分数为 1；

（2）定义风速入口（airin）为速度入口（velocity-inlet），风速为10m/s，当量直径（Hydraulic Diameter）为60m；

（3）定义空气上边界（top）为压力出口（pressure-outlet），设定回流当量直径（Backflow Hydraulic Diameter）为60m；

（4）定义空气右边界（out）为压力出口（pressure-outlet），设定回流当量直径（Backflow Hydraulic Diameter）为60m；

（5）定义壁面边界条件（wall），在热力学（Thermal）选项中勾选温度（Temperature）选项即可；

（6）定义土壤和空气临界面（ground）为多孔介质跳跃面（porous-jump），设定面的渗透率（Face Permeability）为29，多孔介质的厚度（Porous Medium Thickness）为0.0001m，压强跳跃系数（Pressure-Jump Coefficient）为53948 m-1；

（7）定义土壤区域（soil）为多孔介质区，其属性为流体属性（fluid），同时选定多孔介质区（Porous Zone）、层流区（Laminal Zone），土壤孔隙度为0.43。

2 模拟结果与分析

2.1 不同风速下埋地天然气管道泄漏

在分析泄漏周围环境的风速对天然气泄漏扩散范围的影响时，分别选择左侧进口风速为4、6、8m/s三种情况进行分析对比。

通过对比在不同进口风速下的天然气泄漏扩散浓度分布等值线图（a）、（b）、（c）），不难发现，随着风速的逐渐增大，天然气的浓度范围有明显的减小，浓度层也明显减少。在天然气管道泄漏扩散的初期，风速对泄漏扩散范围的影响还不太明显，随着气体不断地向上喷射，风速越大，天然气的扩散速度和浓度减小的越快，泄漏的射流向下的倾斜角度越大，对扩散范围的影响越明显。由天然气泄漏扩散的浓度等值线图可知，当左侧进风速度为4m/s时，天然气泄漏的最高点可达到40m高，随着进口风速的不断增大，泄漏气体扩散范围的最高点逐渐降低，在左侧进风速度为8m/s时，其浓度扩散范围的最高点高度为33m。风力加快了天然气与周围空气之间的相互作用，影响了天然气与空气之间的传热介质，加速了天然气的扩散。且风力对泄漏气体迎风面的影响要远大于背风面的影响，风速越大，影响效果越明显，泄漏的天然气对环境的影响作用越小，越有利于泄漏气体的扩散。

2.2 不同泄漏速度埋地天然气管道泄漏

通过对比在不同泄漏速度下的天然气泄漏扩散浓度分布等值线图（图4（a）、图4（b）、图4（c）），

在其他影响因素不改变的情况下，天然气的泄漏速度越大，其在空气中的泄漏扩散范围越大，泄漏扩散浓度越高，达到稳定所需时间越长，对周围环境的影响越大。

2.3 不同泄漏速度埋地天然气管道泄漏

分析天然气管道的埋深对天然气管道泄漏扩散的影响，模拟天然气管道分别在埋深1.2和1.8m的条件下泄漏扩散的情况。

（a）、（b）为城镇埋地天然气管道埋深1.2m时在大气中的泄漏扩散情况，在模型的建立上仍然选择左侧为风速入口（风速为6m/s），埋地管道泄漏口速度为80m/s，方向向上；（b）為埋地天然气管道埋深1.8m时的泄漏扩散情况，其中只改变管道埋深，其他边界条件保持不变。从图中可看出，当泄漏扩散达到稳定时，在两种不同埋深的情况下，天然气的泄漏扩散范围基本一致，泄漏扩散浓度也基本相同。通过观察天然气泄漏扩散浓度的等值线图可知，天然气1%泄漏浓度可达到的最高点都为36m，泄漏范围的截面距离为6m；天然气百分之五泄漏浓度在稳定时可达到建筑物顶端15m处。由于（b）1的泄漏扩散情况差别不大可知，埋地天然气管道的埋深对天然气在大气中的泄漏扩散情况影响很小。

2.4 建筑群中天然气管道泄漏

在研究埋地天然气管道在建筑群中的泄漏扩散情况时，可以将泄漏模型简化为埋地管道两侧均存在建筑物二维泄漏模型进行模拟分析。模拟泄漏扩散空间为70m×50m；两侧建筑物高15m、宽10m；天然气管道距离右侧建筑物2m、埋深1.5m；管道的泄漏直径为0.1m、泄漏速度为80m/s；左边界为风速入口，进口风速为6m/s。

由于埋地管道两侧建筑物的影响，天然气的泄漏扩散范围及浓度将发生很大程度的改变。在相同外界环境和边界条件下，当管道两侧均有建筑物时，建筑物会阻碍气体的纵向扩散，这会使泄漏的天然气在近地面附近产生绕流现象，增加近地面附近气体的湍流程度，同时也会改变泄漏气体的扩散方向和扩散速度，所以泄漏的天然气气体很容易聚集在建筑物之间，在其中间形成较为强烈的绕流，不容易扩散出来，并且在上风向一侧建筑物附近天然气的泄漏扩散浓度很大，浓度梯度也很大，不容易向高处空气中扩散，只有少量的空气扩散到建筑物顶端后在风力的作用下会绕过建筑物继续向右下方扩散，且偏移的程度相较于只有单侧有建筑物的情况时更加显著，这是因为泄漏扩散到高空的天然气气团浓度低、速度小，更容易受到周围环境中风力的影响。

3 结束语

本章运用FLUENT软件模拟埋地天然气管道泄漏扩散的稳态及非稳态过程，分析环境的风速、管道的泄漏速度、埋深等因素对泄漏扩散情况的影响。得出以下结论：

（1）大气环境的风速越大，天然气的泄漏扩散范围越小利于泄漏气体的扩散。

（2）管道的泄漏速度越大，天然气的扩散所达到的高度越高、扩散范围越大、对周围建筑物及空气的影响越严重。

（3）管道的埋深对天然气泄漏扩散情况的影响不大。

（4）管道两侧均存在建筑物时，天然气将在建筑物中间聚集、扩散高度明显降低。

参考文献：

[1]李胜利. 复杂地表形态下天然气泄漏扩散的三维数值模拟研究[D]. 中国石油大学，2010.

[2]桑博. 长输天然气管道泄漏扩散的数值模拟[D]. 北京交通大学，2011.

[3]司凡. LNG气化站气相管道天然气泄漏扩散的数值模拟与分析[D]. 华中科技大学，2013.

[4]侯庆民. 天然气管道泄漏与天然气在大气中扩散的模拟研究[D]. 哈尔滨工业大学，2009.

[5]Liu ZY，Zhao Y Z，Zheng J Y. Simulation and analysis on leakage and explosion of high pressure hydrogen in hydrogen refueling station[J]. Zhejiang DaxueXuebao （Gongxue Ban）/Journal of Zhejiang University （Engineering Science Edition，2015，49（7）：1389-1394.

[6]霍春勇，董玉華，余大涛，等. 长输管线气体泄漏率的计算方法研究[J]. 石油学报，2004，25（1）：101-105.

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