摘要：以厨房天然气泄漏为例，以三维κ-ε湍流模型为基础，以计算流体动力学(CFD)为分析手段，以室内各特定空间点和空间面为研究对象，对天然气泄漏后的体积分数进行模拟和分析。由于天然气密度小于空气密度，天然气泄漏后在竖直方向的扩散速度大于在水平方向的扩散速度，易在房间上部积聚。天然气泄漏达到爆炸极限的体积分数分布区域是一个有一定厚度的水平区域。
关键词：室内天然气泄漏；计算流体动力学模拟；浓度场
CFD Simulation of Three.dimensional Concentration Field of Indoor Natural Gas Leakage
LI Baizhan，ZHANG Furen
Abstract：Taking natural gas leakage in kitchen for example，the volume fraction of leaked natural gas at indoor given spatial points and surface is simulated and analyzed by CFD software based on the three-dimensionalκ-εturbulence model.Since the density of natural gas is less than that of air，the diffusion rate of lcaked natural gas in vertical direction is greater than that in horizontal direction，and it is easy to accumulate at upper part of chamber.The distribution area of leaked natural gas with the volume fraction reaching the explosion limit is a level area with certain thickness.
Key words：indoor natural gas leakage；CFD simulation；concentration field
1 概述
通过大量建筑室内燃气泄漏引发火灾的案例调查和分析得知，燃气泄漏后，随着浓度的增加，会形成一个局部着火爆炸区域。即使整个环境空间浓度没有达到爆炸极限，这个局部着火爆炸区域遇到火源，仍会产生局部爆炸燃烧，并可能点燃附近的可燃物，引起火灾[1]。因此，对燃气泄漏扩散[2～7]进行理论研究有重要的现实意义。本文以计算流体动力学(CFD)为分析手段，以某二室一厅的建筑内特定空间点和空间面为研究对象，分析天然气泄漏后，这些空间点和空间面的天然气体积分数随时间的变化规律。
2 物理模型的建立
以该二室一厅建筑内的厨房天然气泄漏为例，建筑平面布置见图1，尺寸单位为mm，房间高3.3m。按照该建筑建立物理模型，天然气泄漏点设定在厨房地表面，在室内设置7个监测点，监测点的布置见图2，监测点距地面1.6m，图2中的箭头表示天然气泄漏后的扩散方向。设室内环境温度为27℃，压力为一个标准大气压，墙壁为绝热，房间处于封闭状态。假定天然气泄漏孔的直径为25mm，泄漏速度为3m/s。
3 数学模型的建立
Fluent软件是目前比较流行的CFD软件，其生成程序把相对复杂的几何结构计算变得容易和轻松。后处理软件Tecplot是绘图和数据分析的通用软件，能直接导入Fluent格式的数据文件，具有强大的后处理功能，与Fluent软件结合起来完成流体的计算和数据的处理。笔者使用Fluent软件进行模拟，利用标准κ-ε模型作为湍流模型，采用非结构化网格进行模拟计算，分析天然气体积分数随时间的变化规律。
4 模拟结果分析
保持天然气的泄漏速度不变，对天然气泄漏后室内7个监测点和空间平面的天然气体积分数进行了数值模拟。
① 7个监测点的模拟结果
监测点1、2、4的模拟结果见图3～5，监测点3、5、6、7的天然气体积分数曲线与图4、5相似。
由模拟结果可知，在泄漏后的前300 S内，监测点1的天然气体积分数先增大后减小，因为该监测点邻近泄漏孔，气流受到天然气泄漏速度的扰动形成了涡流。其余各监测点由于处在封闭房间，未受到干扰因素的影响，天然气体积分数的变化曲线形状几乎相同，只是变化在时间上有先后，且当时间达到约5400s时，各监测点天然气的体积分数基本都达到了爆炸下限。
② 空间平面的模拟结果
模拟了天然气泄漏后，x=1.35m平面、z=1m(距离地面1m)平面、z=1.6m平面上的天然气体积分数随时间t的变化规律。天然气泄漏1800、3600、5400s后x=1.35m平面上的天然气体积分数分布见图6。由模拟结果可知，天然气泄漏扩散后的体积分数随与地面垂直距离的增大而增大。不同时刻天然气泄漏扩散的形态基本相似，但天然气的体积分数和所覆盖的危险区域变化较大。
分析发现，天然气在空气中的扩散速度非常快，在房间上部更容易积聚，这主要是由于天然气密度比空气小。此外，天然气泄漏后，随着浓度的增加，会形成一个局部着火爆炸区域，即使整个环境空间浓度没有达到爆炸极限，当这个区域遇到火源时仍会局部着火，引起火灾。
不同时刻z=1m和z=1.6m平面上的天然气体积分数分布见图7。由图7可知，由于天然气的密度比空气小，天然气泄漏后在垂直方向的扩散速度明显大于在水平方向的扩散速度。天然气在水平方向扩散的过程中，由于受到墙壁等障碍物的阻挡区，有利于人们在发生天然气火灾初期争取时间疏散逃生和灭火救援。天然气在封闭状态下泄漏时，约5400s后z=1.6m平面上的体积分数达到爆炸极限，且爆炸区域是一个有一定厚度的水平区域，这为人们在天然气泄漏后采取有效的措施提供了很好的依据。
5 结论
① 用CFD模拟和Tecplot后处理方法相结合，可以得到天然气泄漏后的扩散情况及室内的浓度场，为天然气泄漏后设置警戒区和疏散区提供了理论基础。
② 模拟结果显示，由于天然气密度小于空气密度，天然气泄漏后在垂直方向的扩散速度明显大于在水平方向的扩散速度。
③ 模拟得到了室内天然气泄漏三维浓度场，为安全管理、事故调查、工程设计以及防灾救灾等提供依据。
参考文献：
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(本文作者：李百战1 张甫仁1、2 1.重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室 重庆 400045；2.重庆交通大学 机电与汽车工程学院 重庆 400074)
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