摘要：随着天然气管道工业的发展，天然气管道发生泄漏的事故越来越多。为了研究天然气泄漏到大气中的扩散情况，利用计算流体力学仿真软件FLUENT对天然气在大气中的扩散情况进行模拟计算，并分析风速、压力、泄漏孔径以及障碍物的变化对扩散的影响。模拟结果与泄漏、扩散理论相符。所提出的研究方法为天然气泄漏扩散研究提供了一种分析思路，分析所得到的规律对天然气管道的安全运营和维护有一定的指导意义和参考价值。
关键词：天然气；泄漏；扩散；数值模拟；大气环境
引言
近年来，由于石油价格持续上涨，石油危机的冲击和石油、煤矿带来的环境问题日趋严重，寻求替代能源，实现能源需求多元化的要求日趋迫切[1]。天然气作为一种优质、高效、方便的清洁能源和化工原料，具有巨大的资源潜力，世界各国对天然气的开发利用也日益重视。伴随着天然气工业的发展，大量天然气管道的铺设，燃气管网泄漏问题成为燃气管网系统安全领域研究的首要点[2～3]。城市燃气管网引发的伤亡事故大多是由管道的泄漏引起的。城市燃气管道故障发生泄漏后，极易造成中毒和环境污染问题。更为严重的是，泄漏的燃气与空气形成可燃混合气，达到爆炸浓度范围，遇点火将发生燃烧和爆炸，造成人身伤亡事故。
国外在气体扩散方面的研究较多。研究工作始于七、八十年代，直到现在该领域的研究还比较活跃。在此期间，提出了不少扩散的计算模型[4-9]。在实验方面，国外从20世纪80年代进行了一系列有关气体及液化气体的风洞模拟扩散试验研究，试验介质有LNG(液化天然气)、LPG(液化石油气)、液氨、氟里昂及氮气的混合气、氟化氢及二氧化硫等。
目前，国内也有部分关于气体泄漏和扩散动态模拟的研究成果发表[10～14]。本论文试图通过模拟天然气管道因第三方破坏发生泄漏事故后天然气在大气中的扩散情况，说明天然气扩散规律，并确定风速、泄漏压力、泄漏孔径和障碍物等对天然气扩散的影响，从而对事故抢险、减少损失有一定的指导意义。
1. 天然气管道相关参数
参考陕京输气管道工程中的推荐工艺方案，选取管道直径：为660mm，考察长度为两截断阀间距离5km，考察段管道的起点压力为4.5MPa，终点压力为2MPa，天然气年均输量取15×108m3，设计年工作天数按350天计算，外界环境温度最高气温40℃，最低温度-10℃，平均气温17℃，天然气的年平均气温为27℃。
2. 模拟所需相关参数的计算
以下选取：天然气仅含甲烷一种气体，平坦地势，标准静风条件下，管道在5km的管段的中间点(即距起点2.5km处)发生大孔泄漏[15～17]作为标准状态算例来说明模拟所需参数的计算过程。
计算参数如图1所示，管道起点为1，终点为4，长度为L，在距起点X处存在一点，发生泄漏。图中：P1，T1，u1，ρ1表示管道起点的运行压力、温度、气体速度以及气体密度；P2，T2，u2，ρ2表示与泄漏孔中心在同一直线上的管道内某点的运行压力、温度、气体速度以及气体密度；P3，T3，u3，ρ3表示泄漏点的运行压力、温度、气体速度以及气体密度；P4，T4，u4，ρ4表示这段管道终点处的运行压力、温度、气体速度以及气体密度；Pa，Ta，ua，ρs为管道外大气的压力，温度，风速和空气的密度。
2.1 管道起点1处参数的计算结果(计算过程略)
入口处的气流速度u1 145.06m/s
入口处的马赫数Ma1 0.336
2.2 管道中点2处参数的计算
P2=3.482MPa。u2=u1=145.06m/s。
2.3 泄漏点3参数的计算
泄漏半径分别为：0.02m、0.44m和0.66m，分别属于小孔泄漏，大孔泄漏和管道泄漏。
(一) 小孔模型(孔径为0.02m)
即P3=Pc=P2×CPR=3482000×0.5397≈1879243Pa
(二) 大孔模型(孔径为0.44m)
泄漏点3的压力为：
(三) 管道模型(孔径为0.66m)
当管道发生全截面断裂时，气体的泄漏模型为全管径破裂模型。这时泄漏点3与管道内的2处的参数完全相同。故P3=P2=3.482×106Pa
3. 模拟方法及条件
3.1模拟软件的选择
论文选用流体力学仿真软件FLUENT[18]对天然气在大气中的扩散进行模拟。
3.2 网格的绘制和模型的选择
论文选用二维网格进行模拟，根据实际情况和硬件条件选取5000m×1000m模拟空间，20m步长绘制结构网格。
论文采用标准κ-ε模型和无反应多组份输运模型来进行模拟[19]。
3.3边界条件的选择
对入口inlet选择了压力入口作为边界条件。静风条件下，选取出口wind，outlet-top，outlet-right为自由出流出口条件。有风条件下，将wind边界条件设成速度入口。选择wall为壁面边界条件o
4. 标准状态下的模拟结果
本文的标准状态是指发生大孔泄漏(孔径为0.44m)，无风速影响的情况。
4.1 速度分布
图4和6是FLUENT直接导出的速度分布图，其中6表示在泄漏孔处速度的局部放大图，不同的颜色表示不同的速度值。图5和7是Tecplot导出的相应速度等值线图，等值线上数字代表流速。本文以后出现此类图就不再一一解释。
图4、图5可以看出，天然气高速泄漏到大气中，形成自由射流，在泄漏孔口处速度很高，但随着高度增大速度降低很快，这是因为天然气与空气对流，空气对天然气有很大的阻力造成的。由图6、图7可以看出，同一截面上中心处的流速最大，离中心线越远处的流速越小。随着射流向上流动，其中心线处的流速逐渐减小，射流的宽度逐渐增大。
速度分布图还反映出了以下几点喷射流动特征：1.射流的流动总是伴有边界层的出现。因为凡是流体都是有粘性的，而粘性的存在又总会使射流流层之间发生粘连作用，射流流动大多数是湍流流动，湍流射流中充满着涡旋，它们在流动中呈不规则的运动，会引发射流流股微团间的横向动量交换、热量交换或质量交换，从而形成湍流射流边界层。2.射流在其流动过程中，不同截面上的气流参数分布彼此间保持一种相仿的关系，即射流的自模性。自模性的出现可溯源于射流主流与周围介质的掺混呈线性渐进性，而且在射流各截面上，射流主流与周围介质的混合长度沿射流宽度保持不变，但该长度与射流宽度成正比。反映在这里的速度分布图上就是边界层的外边界及其初始段上的内边界一般都是斜直线。3.由于射流的喷射成束的特性，流场中的轴向分速度要比横向分速度大很多，所以射流分析计算中，一般都将流场中的横向分速忽略掉，亦即射流的轴向速度即被视为射流的总速度。参见图8和图9可以看出，这一特性基本成立。基于该特性的成立，本文之后给出的速度图如不特别标注，均为天然气的Y轴速度分布图。
由图8和图9还可以看出，天然气离开孔口以后其速度并非立刻减小，而是先增大到一个最大值后再逐渐减少的。这是因为，标准状态下天然气的密度小于空气的密度，即该射流为正浮力射流。对于正浮力射流，由于浮力作用，其流速将沿程增加，直到射流核末端，混合区已扩展到射流的轴线上，环境流体的减速作用已经影响到了整个射流，故其流速又开始减小。正浮力射流的射流核末端恰恰位于最大轴向流速处。
图10为泄漏孔口截面的速度分布图，图中的速度分布印证了前面所说的同一截面上中心处的流速最大，离中心线越远处的流速越小的理论。并且可以读出出口最大流速大概在1200m/s左右。而通过FLUENT计算出的流速是1122.785m/s，二者基本吻合。图11是计算区域顶部的速度分布，可以看出，顶部后有速度的范围主要集中在-1000m到1000m的范围内，并且以中心点的速度最大。
4.2 浓度分布
对浓度场进行分析，主要是为了得出甲烷泄漏后危险范围的区域。当对这种易燃气体物料进行危险性分析时，既要考虑甲烷(由于本文认为天然气只含有甲烷一种气体，所以下文所说的甲烷均指天然气)会导致爆炸的可能性，又要想到有毒气体甲烷对人体的危害。
表1 甲烷在不同压力下的爆炸极限
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压力(atm)
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爆炸极限(V%)
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1
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5-15
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10
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5.8-17
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50
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5.7-29.5
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125
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5.7-45.4
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实验证明，甲烷-空气混合物的压力越大，温度越高，则爆炸范围越大，压力对爆炸极限的影响更显著。表1列出的是甲烷在不同压力下的爆炸极限。可以看出随着混合压力的增高，爆炸下限基本保持不变，而上限却大大增加。
但由于模拟结果显示，整个空间中压力在很小的范围内就降低到了大气压，对整个模拟空间的影响很小，所以可以不考虑压力对整个模拟空间中甲烷爆炸范围的影响。所以取大气压下甲烷的爆炸上下限，5%～15%(体积比)。
由图13和图14可以看出，不论计算区域选多高，甲烷总能到达计算区域的顶部，这是因为甲烷的密度小于空气，所以即使最后初始动量由于沿程卷吸静止空气而逐渐减弱殆尽，由于浮力的作用，它也会不断上升。
另外，泄漏轴线上，甲烷的浓度很高，并随着高度的升高而下降，在轴线两侧的半空中有两个椭圆的区域甲烷的浓度也很高。这是因为甲烷泄漏到大气中会与空气混合形成可燃气云，但由于甲烷的密度相对于空气较轻，在扩散中以浮力作用为主，气云主要是向上运动。没有在泄漏孔口的两侧近地处聚集。而是在泄漏孔口的两侧距离地表150m出形成两个半径大约为500m的椭圆形的气云团。
利用图14中浓度等值线，找到甲烷浓度在5%～15%的区域，从而确定了扩散区域里的危险范围。如图180图中红色的部分表示甲烷的浓度处于爆炸极限范围内，是有爆炸危险的区域。
从图中可以看出，这样的区域主要位于150m左右的高空处，近地表处浓度还是比较低的，对人类危害不大。
由图16可以看出，首先，每一条甲烷的浓度等值线基本上沿喷射中心线呈两边对称；其次，从喷口开始向外的空间里，甲烷浓度依次逐渐降低，甲烷等值线图基本相对喷射中心线呈轴对称这一现象证明了湍流标度率(Scaling Law，雷诺数很大的时候，出现的宏观对称性)的存在。
5. 不同条件对扩散的影响
5.1 风速影响
由图19、20、21可以看出，随着风速的从无到有，从小变大，浓度扩散区域也向右明显偏转，并且扩散区域变大，当风速为10m/s时，扩散区域已经超过了界定的区域。并且危险区域也随风速变大而扩大，波及到下风向的近地面。
图22、图23和图24是各自情况下的危险区域的图，图中红色的部分表示甲烷的浓度处于爆炸极限范围内，是有爆炸危险的区域。
比较三图可以清楚的看出，有风以后，危险区域向下风向偏移。随着风速的变大，危险区域也逐渐波及到下风向的近地面。可见风对天然气起着输送作用。
5.2 泄漏压力影响
对于大孔模型，若取P2分别等于2，3.482，4.5MPa时，计算这时泄漏点3处的压力如下：
表2 不同泄漏压力下泄漏点3处的压力
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P2(MPa)
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2
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3.482
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4.5
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P3(Pa)
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1079406
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1879246
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2428664
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从图25、26、27可以看出，随着泄漏压力的变大，甲烷扩散的范围变大，因为流速的变大使甲烷更容易与大气进行对流扩散，但变大幅度不大。所以可以通过降低压力来增大安全区域。但效果不会很明显。
5.3 泄漏孔径影响
对应小孔模型，大孔模型和管道模型分别取了三种不同孔径0.02m、0.44m、0.66m，考察不同泄漏孔径下，天然气在空气中的扩散分布程度将如何变化。在小孔模型、大孔模型和全管径破裂模型时，泄漏点3的压力大小如表3。
表3 不同泄漏孔径下泄漏点3的压力
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模型
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小孔模型(d=0.02m)
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大孔模型(d=0.44m)
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全管径破裂模型(d=0.66m)
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压力P3(Pa)
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1879246
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1879246
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3482097
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比较图28、29、90，可以看出当泄漏孔径为0.02m时，由于泄漏孔径很小，所以浓度等值线比较集中，甲烷和大气对流扩散比较慢，扩散的范围也比较小；而当泄漏孔径为O.66m时，由于是全截面断裂，孔径较大，可以看出等值线变化比较大，扩散范围也大。所以可以看出随着泄漏孔径的变大，甲烷可以更好在大气中扩散，危险区域会变大。
5.4 障碍物影响
为了方便计算分析，假定房屋、建筑、树木之类障碍物全部在泄漏源的下风向，在出口压力为1879246Pa和风速为5m/s时，考虑障碍物的距离远近和高低对喷射扩散的影响。
5.4.1 障碍物距离的影响
障碍物高度：为20m，距离泄漏口1m、5m时白勺天然气喷射情况如下图。
如图31，在一定风速大小下，障碍物距离泄漏口较近的时候，障碍物对天然气在近地面的偏转扩散影响并不大，这是因为天然气从孔口出来有一个喷射的过程，这个过程由于本身射流速度很大，所以并不太受风速的影响。到了扩散阶段，由于障碍物离泄漏口很近，天然气会在风力的作用下沿障碍物爬升，到障碍物顶部后才在风力作用下扩散开。如图32，障碍物同等高度下，随着障碍物到泄漏口的距离增大，天然气喷射出来以后会先在风力作用下与障碍物发生碰撞，从而抵消了风速带来的偏转的动量，由于失去了速度，天然气只能靠浮力作用沿障碍物迎风面艰难爬升，并且会在障碍物迎风面形成沉积气团。比较图31与32，可以明显看出当障碍物距离泄漏口5m时，障碍物对天然气扩散有更好的阻挡效果。
通过以上分析可以看出障碍物距离泄漏口远近对泄漏扩散的影响主要体现在迎风面对天然气的阻挡作用，阻挡沉积的量随距离增大而增大。
5.4.2 障碍物高度的影响
障碍物到泄漏口的距离为5m，障碍物高度为20m和30m 时的天然气喷射情况如下图。
比较图33和图34可以看出，障碍物较高会对扩散的天然气起到了进一步的抬升作用，使天然气开始偏转扩散的高度进一步升高。
通过以上分析可以看出，同等喷射速度和风力作用下，障碍物的高低对天然气喷射扩散的影响主要体现在天然气扩散到障碍物顶部后的扩散状况。
6. 结论
目前，国内在天然气扩散模拟方面的研究不是很深入，本文的研究给出了管道发生泄漏后天然气扩散的浓度分布和速度分布，并考察了风速，泄漏压力，泄漏孔径以及障碍物等因素对天然气扩散的影响，并给出扩散后的危险区域。本文的研究结果对应对突发事故，疏散人群，减少损失具有一定的指导意义。
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(本文作者：焦文玲 侯庆民 哈尔滨工业大学市政环境工程学院 哈尔滨 150090)
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