天然气泄露扩散状态模拟及后果分析
天然气泄露扩散状态模拟及后果分析
摘要：本文以一个地下调压室为研究对象，对燃气管道泄露后的扩散模型进行了深入研究和比较，确定调压室内燃气泄漏后的扩散过程可以使用浮力修正的k-ε双方程湍流模型。通过采用CFX软件对室内燃气泄漏后的扩散状态进行模拟，得到了天然气泄漏后的浓度、温度以及流场分布规律，并根据模拟结果分析了燃气泄漏后室内是否存在爆炸的危险。
关键词：燃气泄露 浓度场 天然气 数字模拟
中图分类号：TG156
The diffusion condition simulation and consequence
analysis of the natural gas leakage
Fan Qi； Zhang Hua； Li Xing
(School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, china)
Abstract：In this paper，a underground tank is regarded as the research object. After comparision and analysis the diffusion models, determine to use the k-ε double-equation turbulence model which modified by buoyancy. Then, using CFX to simulate diffusion process of the gas leakage to complete the diffusion process simulation of the natural gas. Finally, acquire the consequences including the region of concentration field and velocity field, and according to the results of gas leak after the existence of a risk of explosion.
leakage Key words：gas leakage concentration field natural gas numerical simulation
0 前言
近年来，随着环保要求的提高及生活条件的改善，气体燃料，如人工煤气、液化气、天然气等逐渐成为城市居民生活燃料的主体，同时在工业领域的应用范围也在不断扩大。气体燃料的特点是易泄漏和易燃易爆，当这些可燃气体在室内有限空间内发生泄漏后，就会增加火灾和爆炸发生的危险性。同时，由于燃料的比重不同于空气，以及门窗等有限通风条件的存在，导致室内燃料浓度分布是一个非均匀的变化过程，而气体燃料的着火与爆炸的发生是有一定的浓度界线的。因此，系统地研究室内燃气泄漏的扩散过程与发展、爆炸发生的危险性等，对防止室内火灾的发生及控制具有重要的意义。
1 数值计算模型（四号宋体）
1.1 几何模型
图1 调压室几何模型
本文的天然气泄露点在坐标值为（10，8.5，0.5）处，调压室的窗户上配有轴流风机。
1.2 数学模型
空气与天燃气在调压室进行混合，相应的基本控制方程如下[1]：
连续性方程： (1)
动量方程： (2)
能量方程： (3)
组分方程： (4)
1.2 网格与计算求解
数值计算采用非结构化网格，采用ANSYS ICEM CFD11.0划分网格，数值计算采用数值软件ANSYS CFX 11.0。
图2 计算网格全局图
燃气泄露源给定泄露速度、泄露压力和泄露量，燃气管壁和空气进口均处理为绝热边界条件。具体的边界条件及初始条件如下：泄露源的温度T=273k，环境温度T=288k，轴流风机速度：V=0.67m/s，标准大气压力P0=1.013125mpa。其中泄露量与泄露速度的计算如下[2]：
(5)
式中：w为泄露速度，为标准状态下燃气的密度, kg/ m3，a取0.64
当在临界状态或超临界状态时，即[3]
(6)
按式(5)计算泄漏速度, 当v 处于超临界状态时, 计算出的速度为超音速。由于孔口泄漏,无扩压段,最大泄漏速度只能达到临界状态的音速, 所以当v 达到超临界状态时, 泄漏速度应按临界状态的速度计算[4]:
(7)
式中： =1.32 kg/ m3
通过公式(5)-(7),可以算出当泄露源压力为中压P=0.4mpa ，燃气泄露速度V=142.67 m/s，泄露质量流速Qm=0.00306kg/s；当泄漏源压力为高压P=1.6mpa ，燃气泄露速度V=285.34 m/s，泄露质量流速Qm=0.00613kg/s。对于判断数值计算收敛残差的设置，取均方根残差RMS=10-4。
2 计算结果与比较
2.1当屋顶开启量为60%
(a) P=0.4MPa
(b) P=1.6MPa
图3 天然气扩散的流场分布图
(a) P=0.4MPa
(b) P=1.6MPa
图4 天然气在X=10m扩散浓度场
2.2当屋顶开启量为80%
(a) P=0.4MPa
(b) P=1.6MPa
图5 天然气扩散的流场分布图
(a) P=0.4MPa
(b) P=1.6MPa
图6 天然气在X=10m扩散浓度场
2.3当屋顶开启量为100%
(a) P=0.4MPa
(b) P=1.6MPa
图7 天然气扩散的流场分布图
(a) P=0.4MPa
(b) P=1.6MPa
图8 天然气在X=10m扩散浓度场
2.4总结
从上述的计算结果图可以得出在不同屋盖开启量以及不同压力下天然气泄露稳定后的最大浓度、最大温度及最大流速，下面的表格是对它们的具体比较：
结论
本文用CFX软件对地下调压间天然气泄露进行了稳态模拟，得到了在不同压力下，不同屋盖开启量的情况下天燃气的浓度场，流场分布，并对结果进行了详细的分析，得出以下几点结论
1. 天然气泄漏后，刚开始属于长瘦形，然后长度缩短，但高度却增加，变得饱满起来，而且变得上下不对称，这也是由于天然气比空气轻，泄漏后在浮力作用下，向上空扩散造成的；
2. 在天然气沿水平方向泄露和空气混合后的极大质量分数均为1.92%左右，沿垂直方向均为2.24%；而混合后沿水平方向的极大速度在中压时均为2.86m/s，高压时为5.73m/s；沿垂直方向的极大速度在中压时为3.37m/s，高压为6.74m/s。
3. 泄露以后调压间的温度非常均匀，最大温度均为288K，和环境温度一样基本没有变化。
4. 随着屋盖开启量的增大，天然气扩散越快。
5. 天然气的爆炸浓度范围在2.84％～8.92％（质量百分比），而通过模拟可得在以上各种情况下天然气泄露达到稳定以后的最大浓度都低于爆炸浓度范围。由于轴流风机的抽气量为2.144m3/s，而泄露源的最大泄露量为0.0081 m3/s，则轴流风机的抽气量为泄漏量的265倍，并且部分气体从楼梯窗户和屋顶开启部分扩散出去，因此泄露的天然气很快就扩散出去，基本不会聚集在室内，使之达到爆炸的浓度。
6. 泄漏后不仅调压室内不会达到爆炸，而且备件间和监控室也不会达到爆炸极限。
参 考 文 献
1. 王英. 室内燃气泄漏扩散状态模拟及后果分析.重庆大学硕士学位论文,2007
2. 田贯三. 管道燃气泄漏过程动态模拟的研究.山东建筑工程学院院报,1999, 14(4): 57-59
3. 潘旭海, 蒋军成.事故泄漏源模型研究与分析.
南京工业大学学报,2004, 24(1): 107-109
4. 于暢，田贯三. 城市燃气泄漏强度计算模型的探讨. 山东建筑大学学报,2007，22（6）：543-545.
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