摘 要：随着我国天然气不断的开发与普及，城市天然气管道网络变得非常复杂。因为城市天然气管道网络普遍铺设在建筑物以及人口稠密地区，所以如果天然气管道网络泄漏引发事故，将会对城市建筑以及群众生命安全造成严重损失。通过理论分析，建立了城市天然气管道泄漏扩散模型。CFD数值模拟和实验验证，实验结果和模拟结果均在允许误差范围内，掌握天然气泄漏扩散规律，可以准确预测，评估和控制泄漏事故，从而减少天然气管道事故的发生。

关键词：城镇燃气;泄漏;CFD数值模拟;实验论证

天然气管道的爆炸过程的研究在实际中具有非常重要现实意义。根据计算机的技术、数学模型、爆炸学、热学、流体分析力学，建立相关城市、街道天然气管道网络发生泄漏的模型以及扩散的模型[1]，通过CFD数值应用软件模拟实际情况进行计算，通过计算结果分析管网泄露发生扩散的实际规律，并分析出管网扩散、渗漏出现危险的区域。使用相应的软件对模拟所得结果加以验证，从而获得准确、快捷的CFD模拟分析计算方法，最终获得管网泄露预防、应急处理的理论基础。

1 CFD数值模拟手段及过程

1.1 CFD应用软件综述

利用CFD软件进行处理要分以下步骤：①进行预处理工作;②进行求和;③进行最后的处理，分别由预处理器FLUENT，求解器GAMBIT和后处理器TECPLOT计算。

1.2 流体力学计算求解过程

流体力学的求解过程一般为：

①确定需要计算的相关目标。确定想要经过计算得到需要的结果;②选择最佳的模型计算。使用简化物理模拟模型，明确区域计算以及区域计算的标准条件;③利用FLUENT选择需要的物理量模型，如选择湍流物理量模型，确定其是非稳态还是稳态，确定模型是否进行能量的交换;④明确操作过程。明确是否能够应用现有算法与公式进行求解，在求解的过程中是否进行参数的修改或者添加。

经过上述计算进行分析，将得到一个关于问题的判断结果，如果通过上述分析明确了问题的原因，就能够进行相应的模拟流程。

2 管道天然气泄漏扩散的CFD数值模拟

2.1 GAMBIT建模及网格划分

以城镇典型道路，两侧均为建筑物的道路的天然气管道网络发生泄漏作为基础，建立相应物理的模型。城镇道路设定宽度是24m，城镇建筑物设定高度是20m，燃气管道建设在人行道中间位置，距离建筑物的右侧2m。根据城市燃气设计规范燃气管道的顶部距离路面0.7m。假设地面上的气体泄漏率等于天然气管道的泄漏率，则可以简化天然气管道泄漏的几何模型，因为天然气是从底部泄漏端口直接泄漏到大气中。选定天然气管道的内部压力为0.4MPa（相对压力），管道的直径为0.2m，泄漏孔为0.2m。

2.2 利用GAMBIT建立几何模型

假设漏气的装置是圆形，而且漏气部位位于其底部（设定是天然气的进口位置）;设定建筑物高20m，宽度为10m;通过仿真计算分析得出压力是0.4MPa，如果管道直径0.2m的发生泄漏，其泄露的空间将达到160m3，能够满足模型计算的需求。因为如果燃气管道直径不同、燃气压力不同，其泄漏的燃气量将会不同，泄露的空间也将不同。所以，相同几何的模型无法达到计算的需求，必须依据实际情况进行相应模型的建立，从而得到准确的计算结果。在其余背景下的建模不在陈述，其建模的方式与思路可以参考下述情况。

3 FLUENT数值模拟计算

3.1 FLUENT求解器选择

由于城市燃气压力大多低于1.6MPa，且燃气温度为常温，因此该燃气可被视为理想燃气。本次模拟根据选择压力隐式方案进行模拟。在模拟过程中，除进行必要的求解设备类型的设之外，还要选择Fiuent的模式进行计算。如，求解研究对象的空间模型是二维的，在进行选择空间的项目中，应选择二维2D，进行选择时间的项目中，要选择时间模型的特征。

3.2 2FLUENT的环境运行设置

在2FLUENT环境操作设计过程中，必须对两个进行选项设置，从而通过计算获得重力以及压力参数。FLUENT中的压力是指参考工作压力的压力相对值。在进行模拟的过程中，压力参考值是环境大气的压力，本压力数值被设为101325Pa标准的大气压。选择默认的压力参考位置是0。在进行模拟燃气泄漏环境为大气中扩散，必须要考虑浮力与重力对其扩散影响。设定条件运行的选项中要选择重力条件，另外还要指定Z向重力分量加速度数值为-9.812m每秒。环境空间的密度要采用大气密度值0.225kg/m3。

3.3 FLUENT初始条件和边界条件设置

①入口边界条件：在此模拟中，要选择质量流作为边界入口条件。依据上面计算的0.4MPa压力，燃气管线直径在200mm时，泄漏将达到5.75kg/s，可以将这些参数输入在FLUENT中。矢量流动的方向x将设置成0，方向y将设置成1，在入口把燃气体积设置成1;②出口条件边界上的选择：在实际燃气泄漏过程中，大气里没有燃气扩散、泄漏出口的边界，可是针对计算数值时，会有很大并且有限空间泄漏条件进行假设，所以，无形中形成了和大气关联的边界出口参数，出口压力就是设定的边界出口参数，其参数为标准的大气压力101325Pa;③表面边界条件的确定：选择wall为壁面边界条件。

4 CFD模拟结果及影响因素分析

4.1 非稳态模拟结果分析

当天然气管道发生泄漏时，天然气会从泄漏孔喷到环境大气中。因为空气与燃气密度存在密度的差异，燃气会快速夹杂空气迅速扩大泄漏的范围，如下图1中分布扩散示意图。

因为泄露气体没有障碍阻挡其扩散，因此，轴线射流两边的压力将处于平衡，燃气的分布将沿射流中心线两侧对称进行分布。通过体积等高线分数圖能够看出，射流的中心其燃气分数的体积是100%，而且显现逐渐降低的态势。在2.1m的高度处，体积分数减小到5%。随着进一步扩散，扩散范围变得越来越大。如果遇到障碍物，天然气流量将发生变化，如图1所示，甲烷浓度分布时t=10s和t=40s。因为燃气存在一定的夹杂空气或者障碍物阻碍作用的影响，射流的中心与空气周围没有达到可用空间进行维持射流两侧压力的平衡，从而导致射流右侧压力随之变小，并且射流的中心线会发生向右偏斜。

4.2 模拟稳态结果的分析

燃气管线网络压力为0.4MPa，管线直径为0.2m，泄漏的孔径为0.2m，燃气泄漏时，在大气中出现射流，泄漏位置的周围将形成高浓度燃气混合气体，但是其分布的面积很小。因为燃气与空气密度存在差异，所以，燃气的扩散速度快。随着泄漏扩散的不断进行，燃气分布扩散面积将不断增大，泄漏的浓度与速度将随之衰减。

5 结论

影响天然气泄漏扩散的因素很多，分析非常复杂。因此，现在将这些影响因素分别分类和分析。分类如下：环境因素，管道因素，介质因素，气源因素和泄漏因素。这些因素中的每一个都包含许多影响因素。泄漏扩散范围随泄漏孔和管道压力的增加而增加;建筑物对天然气的扩散具有举升作用，建筑物的高度仅影响障碍物上方的区域。

参考文献：

[1] 毛小虎，郝永梅，邢志祥，严欣明.城市天然气管道动态泄漏扩散特性模拟分析[J].油气储运，2014，33（04）：374-379.

作者简介：

张建亮（1984- ），男，籍贯：山西省原平市，2009年7月毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，大学本科学历，工程师，从事天然气管道集输、城镇燃气输配等工作。

猜你喜欢泄漏DMT46-50*4型尿素中压甲铵泵机械密封的失效分析与优化处理科学导报·学术(2020年33期)2020-10-21吸附器阀门内部泄漏对VPSA能耗的影响研究环境与发展(2020年8期)2020-09-24某9E余热锅炉高压循环泵进口法兰垫片泄漏处理方法科技创新与应用(2019年24期)2019-10-24三分仓空气预热器一次风的泄漏问题初探山东工业技术(2019年14期)2019-05-29安全壳隔离阀密封性试验问题研究科技创新与应用(2018年30期)2018-12-10基于事故树分析的薄膜型LNG船泄漏事故原因分析水运管理(2018年3期)2018-04-21浅析天然气站场管道泄漏管理进出口经理人(2017年9期)2017-09-22火力发电厂锅炉“四管”防磨防爆研究无线互联科技(2017年3期)2017-04-21一种检测蒸汽疏水阀故障的方法及检测装置科技资讯(2015年7期)2015-07-02凝结水精处理树脂泄漏原因分析及对策山东工业技术(2014年24期)2014-10-21

相关热词搜索： 泄漏 扩散 城镇