摘　要：采用計算流體力學(CFD)方法，在天然氣持續泄漏條件下，數值模擬風速對障礙物迎風面天然氣體積分數分布的影響，分析庭院燃氣管道泄漏對迎風面住戶的危害。

關鍵詞：天然氣泄漏  計算流體力學  庭院管道  迎風面住戶

Gas Volume Fraction Distribution at Windward Side of Obstacles under Condition of Gas Continuous Leakage

Abstract：The influence of wind speed on natural gas volume fraction distribution at windward side of obstacles is numerically simulated by computational fluid dynamics(CFD)method under the condition of natural gas continuous leakage．The hazard of courtyard gas pipeline leakage to households at windward side is analyzed．

Keywords：natural gas leakage；computational fluid dynamics；courtyard pipeline；households at windward side

1　概述

進入20世紀后期，我國能源結構開始發生變化，天然氣需求量迅速增加。天然氣具有熱值高、來源廣、環境友好等優點，但天然氣泄漏后易擴散，易導致人員中毒甚至發生爆炸，對人民的生命財產造成危害，因此研究燃氣泄漏后的擴散規律具有重要意義^[1]。

現代計算機技術的迅速發展使得采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法研究各種流體的流動、傳熱、傳質、燃燒等過程成為可能^[2]。與傳統的實驗和理論分析方法相比，CFD方法具有成本低且條件設置簡便等優點。近年來，國內外學者開始采用CFD方法對市政管道、儲罐、室內管道燃氣泄漏問題進行研究^[3-4]。

目前，也有很多關于氣體泄漏和擴散動態模擬的研究成果發表：吳晉湘等人^[5]利用CFD方法對燃氣持續泄漏后的擴散現象進行了數值模擬。劉欣^[2]利用CFD方法對海上油氣平臺可燃氣體泄漏進行了模擬計算。肖淑衡^[6]利用泄漏危險性氣體在大氣風流中運動的數值計算模型，對天然氣等輕質氣體泄漏擴散運動進行了數值模擬。X．P．Liu等人^[7]對高層建筑周圍燃氣泄漏受到不同風速的影響進行了分析。

本文采用CFD方法，研究庭院天然氣管道在持續泄漏條件下，不同風速對障礙物迎風面天然氣體積分數分布的影響。

2　物理模型

研究區域的物理模擬見圖1，模擬庭院燃氣管道持續泄漏對迎風面住戶的危害。圖中紅色矩形體為障礙物，模擬1～3層住戶的迎風面，藍色圓點為天然氣泄漏口，圖中數值單位為m。坐標系原點O位于底面中心點。障礙物底面中心點位于(0，20，0)，長度(x軸方向)為20m，厚度(y軸方向)為1m，高度(z軸方向)為10m。泄漏口圓心位于(0，25，0)，直徑為20mm，燃氣流向向上，空氣來流方向指向y軸負方向。模型底面為地面，地面設置為固體邊界，模型其他表面為自由出口壓力邊界，設為常壓。燃氣泄漏壓力穩定在2000Pa，燃氣質量流量為60.58kg／h，采用穩態數值模擬，以甲烷代替天然氣，風速分別選取l、5、10m／s。

3　數值模擬方程

①泄漏控制方程

天然氣泄漏擴散可認為是多組分氣體相互作用的湍流，泄漏的天然氣與空氣混合形成爆炸性混合氣體，混合氣體各組分之間不發生化學反應，泄漏控制方程滿足連續性方程、動量方程、組分方程^[8]。

②流動方程

選擇湍流計算中應用范圍最廣的k-e湍流方程，通過增加單位質量流體湍流脈動動能后和單位質量流體脈動動能耗散率占的控制方程使湍流時均方程組封閉，標準方程形式見文獻[9]。

4　模擬結果與分析

由于甲烷爆炸極限(體積分數)為5％～l5％，因此本文給出的障礙物迎風面甲烷體積分數分布云圖可辨識的甲烷體積分數(稱為甲烷辨識體積分數)范圍設定為0～15％，并將甲烷爆炸極限定義為危險體積分數范圍。

①yOz平面的體積分數分布

不同風速下yOz平面上甲烷辨識體積分數分布云圖(視線方向為x軸負方向)見圖2～4。由圖2可知，當風速為1m／s時，障礙物迎風面危險體積分數范圍分布在7～10m高度范圍內。當風速為5m／s時，分布在0～5m高度范圍內。當風速為l0m／s時，分布在0～3m高度范圍內。

②不同高度上的體積分數分布

不同風速下不同高度(1、3、5、10m)平面上甲烷辨識體積分數分布云圖分別見圖5～7。由圖5可知，當風速為1m／s時，在z＝1m平面上，近壁面甲烷辨識體積分數聚積寬度僅為2m，但隨著高度的增大甲烷辨識體積分數分布范圍向兩側擴大。在z＝5m平面上，聚積寬度達到l2m。在z＝10m處仍有較大聚積寬度，甚至能越過障礙物擴散到其背面。

由圖6可知，當風速增大至5m／s時，在z＝1m平面上，障礙物近壁面甲烷辨識體積分數聚積寬度達到l0m，危險體積分數范圍分布高度比風速為1m／s時有所降低，約在5m以下。雖然在z＝10m處仍可觀測到甲烷辨識體積分數，但不足以構成威脅。

由圖7可知，當風速為10m／s時，在z＝1m平面上，障礙物近壁面甲烷辨識體積分數聚積寬度達到18m，但危險體積分數范圍分布高度明顯下降，在z＝5m處已觀測不到危險體積分數范圍，分布高度在z＝3m以下。

5　結論與展望

①在低風速(1 m／s)時，天然氣泄漏對2～3層住戶威脅最大；在中風速(5m／s)時，天然氣泄漏對1～2層住戶威脅最大；在高風速(10m／s)時，天然氣泄漏對1層住戶威脅最大，且易在近地面處迅速擴散。

②當風速較小時，天然氣不易擴散，影響范圍比較大。當風速增大時，天然氣易被稀釋到爆炸下限以下，雖然擴散更廣，但造成的危害反而減小。因此，在低風速時，更要嚴密關注，以免造成更大的損失。

③在天然氣發生泄漏后，受到威脅的樓層居民應盡快疏散，不要接打電話、開關電器，以免產生電火花，更不能吸煙、使用打火機。

④本文的模擬是建立在簡化物理模型上的，在實際中，住宅小區地形更為復雜，建筑外形及大氣參數更為多變。我們需進一步借助其他工具以及根據實際情況按比例設計物理模型描繪復雜地形，提高模擬的準確性。

參考文獻：

[1]孫潔．室外管道燃氣泄漏擴散模擬與可視化研究(碩士學位論文)[D]．重慶：重慶交通大學，2012：1-5．

[2]劉欣．可燃氣泄漏擴散的CFD研究[J]．計算機與應用化學，2012，29(2)：185-190．

[3]李百戰，張甫仁．室內天然氣泄漏三維濃度場的CFD模擬[J]．煤氣與熱力，2012，32(1)：B09-Bl2．

[4]程浩力，劉德俊，龍世華，等．城市燃氣管道泄漏的CFD模擬[J]．油氣儲運，2011(8)：647-651．

[5]吳晉湘，牛坤，閆運忠．燃氣連續性泄漏擴散規律的研究[J]．河北工業大學學報，2007，36(3)：1-6．

[6]肖淑衡．廠區燃氣等危險性氣體泄漏擴散的模擬研究(碩士學位論文)[D]．廣州：廣州大學，2006：7-8．

[7]LIU X P，NIU J L，KWOK K C S．Analysis of coneentration fluctuations in gas dispersion around high-rise building for different incident wind directions[J]．Journal of Hazardous Materials，2011(3)：1623-1632．

[8]YANG Rui，ZHANG Jing，SHEN Shifei，et al．Numerical investigation of the impact of different configurations and aspect rations on dense gas dispersion in urban street canyons[J]．Tsinghua Science and Technology，2007(3)：345-351．

[9]陶文銓．數值傳熱學[M]．3版．西安：西安交通大學出版社，2001：332-350．

本文作者：劉海靜  楊暉  郝學軍

作者單位：北京建筑大學北京市“供熱、供燃氣、通風及空調工程”重點實驗室

  北京建筑大學環境與能源工程學院