摘　要：采用计算流体力学(CFD)方法，在天然气持续泄漏条件下，数值模拟风速对障碍物迎风面天然气体积分数分布的影响，分析庭院燃气管道泄漏对迎风面住户的危害。

关键词：天然气泄漏  计算流体力学  庭院管道  迎风面住户

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

进入20世纪后期，我国能源结构开始发生变化，天然气需求量迅速增加。天然气具有热值高、来源广、环境友好等优点，但天然气泄漏后易扩散，易导致人员中毒甚至发生爆炸，对人民的生命财产造成危害，因此研究燃气泄漏后的扩散规律具有重要意义^[1]。

现代计算机技术的迅速发展使得采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法研究各种流体的流动、传热、传质、燃烧等过程成为可能^[2]。与传统的实验和理论分析方法相比，CFD方法具有成本低且条件设置简便等优点。近年来，国内外学者开始采用CFD方法对市政管道、储罐、室内管道燃气泄漏问题进行研究^[3-4]。

目前，也有很多关于气体泄漏和扩散动态模拟的研究成果发表：吴晋湘等人^[5]利用CFD方法对燃气持续泄漏后的扩散现象进行了数值模拟。刘欣^[2]利用CFD方法对海上油气平台可燃气体泄漏进行了模拟计算。肖淑衡^[6]利用泄漏危险性气体在大气风流中运动的数值计算模型，对天然气等轻质气体泄漏扩散运动进行了数值模拟。X．P．Liu等人^[7]对高层建筑周围燃气泄漏受到不同风速的影响进行了分析。

本文采用CFD方法，研究庭院天然气管道在持续泄漏条件下，不同风速对障碍物迎风面天然气体积分数分布的影响。

2　物理模型

研究区域的物理模拟见图1，模拟庭院燃气管道持续泄漏对迎风面住户的危害。图中红色矩形体为障碍物，模拟1～3层住户的迎风面，蓝色圆点为天然气泄漏口，图中数值单位为m。坐标系原点O位于底面中心点。障碍物底面中心点位于(0，20，0)，长度(x轴方向)为20m，厚度(y轴方向)为1m，高度(z轴方向)为10m。泄漏口圆心位于(0，25，0)，直径为20mm，燃气流向向上，空气来流方向指向y轴负方向。模型底面为地面，地面设置为固体边界，模型其他表面为自由出口压力边界，设为常压。燃气泄漏压力稳定在2000Pa，燃气质量流量为60.58kg／h，采用稳态数值模拟，以甲烷代替天然气，风速分别选取l、5、10m／s。

3　数值模拟方程

①泄漏控制方程

天然气泄漏扩散可认为是多组分气体相互作用的湍流，泄漏的天然气与空气混合形成爆炸性混合气体，混合气体各组分之间不发生化学反应，泄漏控制方程满足连续性方程、动量方程、组分方程^[8]。

②流动方程

选择湍流计算中应用范围最广的k-e湍流方程，通过增加单位质量流体湍流脉动动能后和单位质量流体脉动动能耗散率占的控制方程使湍流时均方程组封闭，标准方程形式见文献[9]。

4　模拟结果与分析

由于甲烷爆炸极限(体积分数)为5％～l5％，因此本文给出的障碍物迎风面甲烷体积分数分布云图可辨识的甲烷体积分数(称为甲烷辨识体积分数)范围设定为0～15％，并将甲烷爆炸极限定义为危险体积分数范围。

①yOz平面的体积分数分布

不同风速下yOz平面上甲烷辨识体积分数分布云图(视线方向为x轴负方向)见图2～4。由图2可知，当风速为1m／s时，障碍物迎风面危险体积分数范围分布在7～10m高度范围内。当风速为5m／s时，分布在0～5m高度范围内。当风速为l0m／s时，分布在0～3m高度范围内。

②不同高度上的体积分数分布

不同风速下不同高度(1、3、5、10m)平面上甲烷辨识体积分数分布云图分别见图5～7。由图5可知，当风速为1m／s时，在z＝1m平面上，近壁面甲烷辨识体积分数聚积宽度仅为2m，但随着高度的增大甲烷辨识体积分数分布范围向两侧扩大。在z＝5m平面上，聚积宽度达到l2m。在z＝10m处仍有较大聚积宽度，甚至能越过障碍物扩散到其背面。

由图6可知，当风速增大至5m／s时，在z＝1m平面上，障碍物近壁面甲烷辨识体积分数聚积宽度达到l0m，危险体积分数范围分布高度比风速为1m／s时有所降低，约在5m以下。虽然在z＝10m处仍可观测到甲烷辨识体积分数，但不足以构成威胁。

由图7可知，当风速为10m／s时，在z＝1m平面上，障碍物近壁面甲烷辨识体积分数聚积宽度达到18m，但危险体积分数范围分布高度明显下降，在z＝5m处已观测不到危险体积分数范围，分布高度在z＝3m以下。

5　结论与展望

①在低风速(1 m／s)时，天然气泄漏对2～3层住户威胁最大；在中风速(5m／s)时，天然气泄漏对1～2层住户威胁最大；在高风速(10m／s)时，天然气泄漏对1层住户威胁最大，且易在近地面处迅速扩散。

②当风速较小时，天然气不易扩散，影响范围比较大。当风速增大时，天然气易被稀释到爆炸下限以下，虽然扩散更广，但造成的危害反而减小。因此，在低风速时，更要严密关注，以免造成更大的损失。

③在天然气发生泄漏后，受到威胁的楼层居民应尽快疏散，不要接打电话、开关电器，以免产生电火花，更不能吸烟、使用打火机。

④本文的模拟是建立在简化物理模型上的，在实际中，住宅小区地形更为复杂，建筑外形及大气参数更为多变。我们需进一步借助其他工具以及根据实际情况按比例设计物理模型描绘复杂地形，提高模拟的准确性。

参考文献：

[1]孙洁．室外管道燃气泄漏扩散模拟与可视化研究(硕士学位论文)[D]．重庆：重庆交通大学，2012：1-5．

[2]刘欣．可燃气泄漏扩散的CFD研究[J]．计算机与应用化学，2012，29(2)：185-190．

[3]李百战，张甫仁．室内天然气泄漏三维浓度场的CFD模拟[J]．煤气与热力，2012，32(1)：B09-Bl2．

[4]程浩力，刘德俊，龙世华，等．城市燃气管道泄漏的CFD模拟[J]．油气储运，2011(8)：647-651．

[5]吴晋湘，牛坤，闫运忠．燃气连续性泄漏扩散规律的研究[J]．河北工业大学学报，2007，36(3)：1-6．

[6]肖淑衡．厂区燃气等危险性气体泄漏扩散的模拟研究(硕士学位论文)[D]．广州：广州大学，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]陶文铨．数值传热学[M]．3版．西安：西安交通大学出版社，2001：332-350．

本文作者：刘海静  杨晖  郝学军

作者单位：北京建筑大学北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室

  北京建筑大学环境与能源工程学院