基于穩(wěn)定風(fēng)場的埋地天然氣管道泄漏數(shù)值模擬
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黃雪馳，馬貴陽，王錫鈺，張 鑠，龐 榮
（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）
摘要：針對目前城鎮(zhèn)埋地管道天然氣泄漏研究模擬工況簡單、可信性較低等問題，考慮障礙物對環(huán)境風(fēng)場的影響，利用計算流體力學(xué)( CFD)軟件建立天然氣管道三維泄漏模型，將模擬過程分為環(huán)境風(fēng)場的穩(wěn)態(tài)模擬和管道泄漏擴散的瞬態(tài)模擬兩步，分析天然氣泄漏擴散規(guī)律。結(jié)果表明：在風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬中，建筑物附近風(fēng)場受干擾明顯，上游形成小范圍的低速滯留區(qū)，下游形成較長的尾跡。在天然氣泄漏擴散瞬態(tài)模擬中，土壤層天然氣受風(fēng)速影響較小，氣體在近地面及貼近建筑物側(cè)積聚，擴散范圍隨時間逐漸趨于穩(wěn)定，泄漏擴散達(dá)到穩(wěn)定后表現(xiàn)出土壤層積聚、氣云沉降、貼近建筑物積聚、氣云擴散局限性的特征。風(fēng)速主要影響天然氣的擴散高度，對水平方向的擴散范圍影響較小，風(fēng)速與天然氣擴散高度成反比。
關(guān)鍵詞：天然氣泄漏；埋地管道；障礙物；風(fēng)場；數(shù)值模擬
中圖分類號：X937 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 01. 018
0 引 言
城鎮(zhèn)地區(qū)的天然氣埋地管道在運行過程中，由于不可避免的自然或人為損壞等因素導(dǎo)致泄漏事故時有發(fā)生，造成能源流失的同時也嚴(yán)重威脅到附近居民的生命財產(chǎn)安全。進(jìn)行合理的天然氣泄漏擴散模擬可以預(yù)測危險范圍，為事故的應(yīng)急救援提供科學(xué)指導(dǎo)。近些年，學(xué)者們對于復(fù)雜環(huán)境下天然氣泄漏后擴散的一般規(guī)律和模擬結(jié)果取得了較大進(jìn)展。李朝陽等對比埋地和架空管道兩種不同敷設(shè)方式下的天然氣泄漏情況，重點分析瞬時及持續(xù)泄漏下的氣體擴散規(guī)律；張甫仁等針對城市建筑群區(qū)域人口密集擴散難度大的情況，模擬分析了建筑物群外空間天然氣泄漏擴散濃度場及其規(guī)律；付建民等在實驗基礎(chǔ)上利用CFD軟件研究裂口幾何形態(tài)對于輸氣管道小孔泄漏的影響。然而在目前城鎮(zhèn)地區(qū)埋地天然氣泄漏擴散的研究中，學(xué)者們罕有考慮計算流域內(nèi)建筑物自身對流過的風(fēng)場產(chǎn)生較大阻塞作用這一重要因素，建筑物附近風(fēng)場的流動狀態(tài)對于天然氣泄漏初期擴散影響較大，同時目前研究的大多數(shù)模型建立較為簡單，致使模擬結(jié)果誤差較大。
本文利用CFD軟件建立三維埋地管道天然氣泄漏擴散模型，將整個數(shù)值模擬過程分為計算流域風(fēng)場的穩(wěn)態(tài)模擬及在穩(wěn)定風(fēng)場基礎(chǔ)上的天然氣泄漏擴散過程的瞬態(tài)模擬兩步，并對不同風(fēng)速條件下的泄漏擴散進(jìn)行對比分析，得到更加可信、更具參考價值的埋地天然氣管道泄漏擴散規(guī)律。
1 控制方程組
1.1 物質(zhì)傳輸模型
氣體擴散流動問題一般采用雷諾時均方程：
式中：k、μ1分別為湍動能和湍流粘性系數(shù)，其值隨空間的變化受湍流模型限制。標(biāo)準(zhǔn)的k--ε湍流模型在具有管道彎曲壁面的風(fēng)場計算時會產(chǎn)生一定的失真，R ealizablek --ε湍流模型作為廣泛應(yīng)用的改進(jìn)模型，能夠有效的應(yīng)用于彎曲壁面流動，獲得更佳的模擬結(jié)果。
1.2 物質(zhì)擴散模型
CFD軟件可以利用對物種傳輸擴散守恒方程的求解，預(yù)測第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其組分運移方程如下：
式中，S ct為湍流施密特數(shù)。
2數(shù)值模擬及結(jié)果分析
2.1 計算模型及邊界條件
城鎮(zhèn)地區(qū)的天然氣管道多采用埋地敷設(shè)，計算流域分為處于完全開發(fā)大氣邊界層中的空氣域及土壤層，本文設(shè)定足夠大的計算流域尺寸為500 m（長）×400 m（寬）×163 m（高），其中空氣域高度為160 m，建筑物（障礙物）尺寸為30 m（長）×10 m（寬）×16 m（高），建筑物距離風(fēng)速入口邊界150 m，可知建筑物擺放位置可以保證流動充分發(fā)展，阻塞率為0. 74 %，計算流域?qū)ㄖ锔浇饔驙顩r基本沒有影響。土壤層高度為3m，管道敷設(shè)埋深2m，直徑為800 mm，埋地管道在建筑物上游水平距離3m處，管道泄漏為圓孔泄漏，泄漏口直徑200 mm，泄漏口位于管道頂面方向向上。
基本參數(shù)：管內(nèi)和環(huán)境溫度為300 K，環(huán)境壓力為101 325 Pa，天然氣泄漏速度為240 m/s，采用如下指數(shù)公式對環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行修正，為了便于計算天然氣簡化為純甲烷氣體，甲烷的爆炸范圍為5% ~15%，取1%作為天然氣危險警戒濃度，泄漏過程為管內(nèi)壓力不發(fā)生變化的持續(xù)泄漏。土壤物性參數(shù)：密度為1 540 kg/m3，比熱容為2 180 J/( kg．K)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/(m. K)，孔隙度為0.43，平均粒子直徑為0.2mm，計算得到滲透率為29 m D，慣性阻力系數(shù)為53 948m。環(huán)境風(fēng)速采用廣泛應(yīng)用的指數(shù)公式：
式中：u、u1分別為地面以上高度為z、z1處的風(fēng)速，m/s; a為地表粗糙度因素，本場景取0.16。本場景模擬10 m處風(fēng)速分別為4 m/s、6 m/s、8 m/s，即z1=10m，u1=4 m/s或6 m/s或8 m/s。風(fēng)速隨高度變化如圖1。
本文采用分體加密法將計算流域分成25個體塊，對管道所在體塊、土壤層體塊、近地面體塊進(jìn)行加密處理（如圖2），計算模型總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到110萬，最大偏斜率0. 74，大部分網(wǎng)格偏斜率低于0.2，滿足本文的計算精度要求（最大偏斜率小于0. 90）。本文假設(shè)氣體為不可壓縮流體故兩個人口邊界均采用速度入口邊界，計算流域頂面及側(cè)面均設(shè)置為對稱邊界( SYMMETRY)；土壤層區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)( POROUS)，其阻力系數(shù)各向同性；土壤層與大氣層的交界面設(shè)置為多孔階躍( POR-OUS - JUMP)；管壁、建筑物壁面及土壤層底面為無滑移的恒溫壁面( WALL)；穩(wěn)態(tài)風(fēng)場模擬中為了便于計算收斂，出口邊界選擇壓力出口邊界(PRESSURE - OUT-LET)，在天然氣泄漏擴散瞬態(tài)模擬時，壓力出口邊界中難以預(yù)測出口邊界的甲烷濃度，因而采取自由出流邊界( OUTFLOW)。
2.2風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬
進(jìn)行風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬時，認(rèn)為管道處于安全運行狀態(tài)，即天然氣泄漏口設(shè)置為WALL邊界，以u1=6 m/s為例，通過穩(wěn)態(tài)模擬得到不同剖面風(fēng)速等值云圖及矢量圖（如圖3、圖4）。
從圖3可以看出，計算流域整體上表現(xiàn)為大氣邊界層流動的特征，同時在出口邊界處流動得到了充分發(fā)展，驗證了計算流域尺寸、建筑物擺放位置的合理性。雖然建筑物僅對近地面的有限區(qū)域造成了影響，然而其對天然氣泄漏擴散行為有著較大影響，對建筑物附近風(fēng)場進(jìn)行分析是十分有必要的。
圖4充分顯示了建筑物對氣流的阻塞作用，表現(xiàn)為：橫風(fēng)向和上游氣流受建筑物影響較小，下游受建筑物影響明顯；建筑物上游形成一個小范圍的低速滯流區(qū)，下游形成一條較長的尾跡，且尾跡內(nèi)速度分布由內(nèi)向外先減后增；隨著高度的上升，尾跡逐漸變短，當(dāng)達(dá)到40 m高度時建筑物的阻塞影響幾乎可以忽略。綜上可知，建筑物對風(fēng)場的影響主要集中高度較低的建筑物附近及建筑物下游區(qū)域，建筑物上游的低速滯流區(qū)會使天然氣積聚不利于擴散，建筑物側(cè)緣及上緣的高速區(qū)則會加速天然氣向周圍空氣的擴散，建筑物周圍風(fēng)場勢必對
天然氣泄漏擴散過程造成重大影響。
2.3 天然氣泄漏擴散瞬態(tài)模擬
在完成環(huán)境風(fēng)場的穩(wěn)態(tài)模擬后，改變泄漏口邊界及出口邊界的邊界條件，將壓力速度耦合方式改為“PISO”算法，便于每個時間步的收斂，時間步長選取0. 01 s對泄漏過程進(jìn)行瞬態(tài)模擬。
由圖5可以看出，在泄漏擴散的初期天然氣向上泄漏到土壤層，動能大幅衰減，天然氣首先在土壤中緩慢擴散，短暫時間后從地面泄漏出呈現(xiàn)四周膨脹擴散的趨勢，但擴散到地表以上的天然氣由于速度較低，容易受穩(wěn)定風(fēng)場的影響在建筑物迎風(fēng)側(cè)迅速積聚，氣云高度、擴散范圍等隨時間增大并逐漸趨于穩(wěn)定。天然氣氣云在擴散過程中呈現(xiàn)以下幾個主要特征：①土壤層積聚特征。土壤的阻力作用使天然氣在土壤層擴散范圍較小，氣體積聚現(xiàn)象明顯，容易引發(fā)爆炸事故。②氣云沉降特征。從土壤中泄漏出的天然氣氣云在大氣邊界層風(fēng)速梯度的作用下積聚在地面，不易在高度方向上擴散，因此天然氣泄漏擴散的主要危險區(qū)域為近地面。③貼近建筑物積聚特征。由于建筑物迎風(fēng)面存在小范圍的低速滯留區(qū)，天然氣在該區(qū)域的擴散速度較慢容易積聚，表現(xiàn)為如圖所示的貼近建筑物積聚的特征。④氣云擴散局限性特征。結(jié)合圖4，在建筑物邊緣拐角處風(fēng)速梯度較大，天然氣擴散速度驟增，氣云濃度在上緣及側(cè)緣處被嚴(yán)重稀釋，天然氣難以擴散到背風(fēng)側(cè)及下游較遠(yuǎn)區(qū)域，同時驗證了模擬穩(wěn)定風(fēng)場的必要性，通過風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬能夠使泄漏擴散的模擬結(jié)果更加貼近實際情況。
由以上分析可知，穩(wěn)定風(fēng)場對于建筑物附近天然氣管道泄漏擴散影響十分明顯，針對不同風(fēng)速的穩(wěn)定風(fēng)場，本文給出了對應(yīng)的擴散趨于穩(wěn)定時的天然氣云圖如圖6，可以看出，不同風(fēng)速條件下的氣云擴散的高度有明顯區(qū)別，環(huán)境風(fēng)速與擴散高度成反比，但環(huán)境風(fēng)速對天
然氣氣云在水平方向的擴散影響較小，對于土壤層內(nèi)氣體擴散幾乎沒有影響。
由模擬看出近地面及建筑物表面的泄漏擴散是影響最為明顯的，同時也是人們最為關(guān)心的，通過提取數(shù)據(jù)，得到不同風(fēng)速條件下擴散范圍隨時間的變化規(guī)律如圖7�？梢钥闯觯涸谛孤⿺U散初期(0~ 20 s)，天然氣受環(huán)境風(fēng)場影響較小，氣云主要積聚于建筑物上游低速滯留區(qū)，不利于天然氣向周圍大氣中稀釋，表現(xiàn)為氣云高濃度邊界向四周推進(jìn)較快；隨著泄漏擴散的進(jìn)行，天然氣擴散范圍逐漸趨于穩(wěn)定，高濃度邊界推進(jìn)減弱，這是由于低速滯留區(qū)邊緣的風(fēng)速梯度極大，加快了天然氣向周圍環(huán)境擴散的速度，導(dǎo)致邊緣處天然氣濃度迅速降低，最終呈現(xiàn)為貼近建筑物及地面的小范圍氣云；環(huán)境風(fēng)速對建筑物表面天然氣橫向擴散距離影響較小，這是由于建筑物側(cè)緣較大的風(fēng)速梯度限制了天然氣的橫向擴散；環(huán)境風(fēng)速越大，天然氣擴散高度越低，大氣邊界層風(fēng)速梯度起主導(dǎo)作用，使天然氣難以向高空擴散；天然氣在迎風(fēng)方向受到的阻力較大，擴散影響范圍較小，風(fēng)速影響不明顯；穩(wěn)定風(fēng)場的風(fēng)速越大，擴散范圍趨近穩(wěn)定的時間越短。在本文工況條件下，建議應(yīng)以低風(fēng)速條件下的泄漏擴散范圍作為處理泄漏事故的預(yù)測考量，當(dāng)建筑物為帶窗戶的樓房時泄漏的危險性也將成倍增長。
3 結(jié)論
本文采用CFD軟件對城鎮(zhèn)地區(qū)（有建筑物存在的工況）埋地天然氣管道泄漏擴散過程進(jìn)行了模擬，整個模擬過程分為風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬及天然氣泄漏擴散瞬態(tài)模擬兩部分，得出如下結(jié)論：
1)在風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬中，計算流域表現(xiàn)為大氣邊界層特征，建筑物僅對其附近風(fēng)場流動影響十分明顯；在建筑物上游形成小范圍的低速滯流區(qū)，下游形成一條較長的尾跡；在建筑物的上邊緣及側(cè)緣處風(fēng)速劇增，風(fēng)速梯度很大，勢必影響天然氣泄漏擴散情況。
2)天然氣埋地管道泄漏擴散過程表現(xiàn)出土壤層積聚、氣云沉降、貼近建筑物積聚、氣云擴散局限性的特征。其中氣云擴散局限性特征證明了風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬對于整個天然氣泄漏擴散模擬的必要性。
3)在天然氣泄漏擴散初期，天然氣受環(huán)境風(fēng)場影響較小，氣體積聚明顯，高濃度邊界向四周推進(jìn)較快；隨著泄漏擴散的進(jìn)行，天然氣擴散范圍隨時間逐漸趨于穩(wěn)定，最終表現(xiàn)為貼近建筑物及地面的小范圍氣云。
4)風(fēng)速對建筑物表面天然氣橫向擴散距離影響較小，受側(cè)緣風(fēng)速梯度限制；風(fēng)速與天然氣擴散高度成反比，大氣邊界層風(fēng)速梯度起主導(dǎo)作用；天然氣在迎風(fēng)方向受到的阻力較大，擴散距離不明顯；風(fēng)速越大，擴散范圍達(dá)到穩(wěn)定的時間越短。建議重視低風(fēng)速條件下的天然氣泄漏及建筑物為帶窗戶的樓房時的情況。
