燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟.docx

城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟韩克顺 天津城市建设学院 天津摘 要: 城镇燃气管道的分布区域人口及建筑众多,燃气管道一旦发生泄漏,将有可能 造成重大的财产损失甚至人员伤亡因此,为了量化城镇燃气泄露危害,针对管道不同的 破坏情况及气源建立了燃气泄漏各种源模型以及扩散模型,并且建立了燃气管线动态泄 漏扩散模型及伤害性危险围对第三方破坏所造成的城镇燃气管道泄漏模型进行了模 拟，采用CFD技术对管道泄漏燃气的扩散进行模拟研究获得了泄漏气体的扩散数值模 拟结果,为城镇燃气管道安全运行提供了理论依据关键词: 燃气管道; 泄漏; 泄漏模型; 扩散模型; 数值模拟Abstract: The areas that city gas pipelines distributed in always crowd with people and buildings, and once gas releases through damaged pipes, accidents would happen involving substantial economic losses and even victims amongst the population. Therefore, in order to quantify the hazards of city gas leak, different leakage and diffusion models were established according the characters of gas and the damage. The diffusion model of unsteady leakage of gas pipeline and the damaging and destroying areas were established. Based on the computational fluid dynamics (CFD) technique the diffusion range of leaked gas during accident of underground gas pipeline that caused by the third party damage was studied. According to the results, the dispersion of the leaked gas was obtained and providing the theory basis for safety operation of city gas pipelines.Key words: Gas pipelines; Leakage; Leakage model; Diffusion model; Numerical simulation由于管道老化、腐蚀、管材和焊缝缺陷等原因,尤其是随着市政建设的发展,城镇违 章施工挖断、压裂燃气管道的事故屡见不鲜,泄漏事故频发,引发火灾及爆炸事故,造成人 员伤亡及环境污染的恶劣后果。

燃气管道泄漏扩散的危险性主要在于两个方面:一是一 定区域燃气浓度达到阈限值,使人员中毒;二是一定区域燃气浓度达到爆炸极限,围发生火 灾或爆炸事故针对这种情况,本文根据不同条件建立了相应适用的管道泄漏率模型,并 应用FLUENT方法进行了城燃管道泄漏模拟1 模型分析1.1 燃气泄漏源模型泄漏速率的确定是分析泄漏扩散及评价事故后果的基础其依据的主要模型根据泄 漏孔径大小分别为小孔泄漏模型、管道模型和大孔泄漏模型总的来说腐蚀穿孔容易 发生小孔径泄漏事故，而对于外力破坏（诸如施工、自然灾害等）大孔径泄漏事故发生的 可能性较大1.1.1孔口泄漏小孔泄漏模型适用于穿孔泄漏的情形，穿孔泄漏是指管道或设备由于 腐蚀等原因形成小孔，燃气从小孔泄漏对于理想气体等熵膨胀任意点处的质量流率式中,Q为气体通过孔洞的质量流量,kg/s;「为气体泄漏系数,一般取值围在0.6~1.0当裂口形状为圆形时取1.00,三角形时 取0.95,长方形时取0.90,孔口为层腐蚀形成的渐缩孔（钝角入口）取0.9

从安全工作的角度考虑,都需要通过孔洞流出蒸汽的最大流量引起最大流速的压 力比为:塞压''是导致孔洞或管道流动最大流量的下游最大压力（临界压力），其泄漏量为:1.1.2 管道泄漏 管道泄漏模型适用于开裂泄漏的情形开裂泄漏的原因通常是由于夕卜力干扰或超压破裂，属于大面积泄漏，泄漏口面积通常为管道截面积的80%~100% 开裂泄漏瞬时泄漏量大,导致管道中的压力明显降低对于理想气体绝热管道流声速和 非声速情况下的质量通量都可以用Darcy公式表示：式中,G为质量通量;m为气体的质量流率,kg/s;A为孔面积,•'；'.为气体膨胀系数；代为重力常数；p为上游气体密度,kgA.; 厂：为上游气体压力,Pa;为下游气体压力,Pa;为差损失项，可用4fL/d替换,f为摩擦系数,d为径丄为管长,mo1.2 燃气泄漏及扩散模型城镇燃气一般包括天然气、液化石油气和人工煤气其中天然气及人工煤气密度 x小于空气p世漏后为浮性气体被动扩散液化石油气的气态密度比空气重,泄漏后属于重 气扩散对于不同性质的气体需要应用不同的扩散模型1.2.1 中性浮力扩散 中性浮力扩散模型,用于估算释放发生后释放气体与空气混合,并 导致混合气云具有中性浮力后下风向各处的浓度对于燃气管道泄漏一般用烟羽模型来 描述。

假定风向沿X轴，风速恒定为u, Pasquill-Gifford模型所描述的位于地面H高处 的连续稳态源的浓度为：& exp〈C〉(x,y,z)='''Ip - Hlfz - H2 g+ exp(5)式中，〈C〉(x,y,z)为平均浓度,g/ ：',G为连续泄漏率,kg/s;扩散系数分别代表下风向、侧风向和垂直方向(x,y,z)浓度的标准偏差;u为风速,m/s;y为风向垂直方向距离,m;z为距里面距离,m;H为泄漏源高度,mo下风向地面上最大浓度出现的位置,可由下式求得:「= H/二 ⑹地面上沿x轴的最大浓度； 由下式求得：1.2.2 重气扩散 密度大于其扩散环境空气密度的气体均称为重气,现有的重气扩散模 型大都是在箱模型(Box-Model )的基础上建立的高斯模型和重气扩散箱式模型有很 大的局限性为了比较精确并贴近实际的模拟重气扩散人们采用计算流体力学(CFD) 的方法模拟其扩散的三维非定常态湍流流动过程泄漏燃气视为不可压缩流体其温度 视为与环境温度相同，选择k吒双方程模型，则泄漏燃气的运动与扩散规律可由以下控制方 程描述连续性方程：c =0 (8)动量方程：k吒双方程模型:扩散方程：式中各系数的经验数值为：=0.09/ i = 1.44/ =1.92/7 = 1.0/^ =1.3。

采取一定的离散方法将上式离散,并根据具体情况构造边界条件解控制方程,便可得 到泄漏场所的燃气浓度分布和速度分布在FLUENT等软件中建立泄漏场所几何模型, 选择动量方程模型、边界条件及其他己知参数,便可自动计算2 实例模拟2.1 模型建立本文对燃气泄漏扩散过程进行数值模拟,为了能得到具有指导意义的一般性规律,需 要从各种实例中抽象出一种有代表意义的模型用三维模型建立燃气管道泄漏这样的 超大空间计算量是巨大的，因此，采用FLUENT软件建立二维模型模拟分析，模型区域如 图1所示⑻模型区域冈S认口«=>自由出口匚刁A廳气泄漏口地面(b)计算模型图1 泄漏模型2.2 FLUENT扩散模拟该管道埋于地下，管道的径150 mm,燃气及环境温度为300 K, 泄漏口为100 mmx150 mm,风速为5 m/s,环境压力1^ Pa泄漏孔面积为 A=0.015 ：燃气泄漏速度为^330 m/s其中天然气采用甲烷液化石油气采用丙烷 代替2.2.1天然气泄漏模拟 风速为1 m/s, 3 m/s,10 m/s时天然气泄漏情况如图2所 示ICKte+OO35(te-CJ1BOOh-CII7COa-Ol6006-013006-011506-014CKte-01ZCKte-(J1Conlouns- M Mass fwtiKXi of ch4Apr 怕 J012FLUENT书.3 (2d, dp, pbns, spe, ske )1006-01BCKteCE(a )风速为1 m/sICKte+OO95Cte-CJ19畑期SOOc-Cll7Cltta-0l6Cfle-Q1sotte-cii2006-015畑住4Ste-014 006-01100e-01Conlour^ M Mass fract^xi of ch4Apr 19 30112FLUENT 6.3 (2d, dp, pbns, spe, &ke)D(Kfc+'XI(b )风速为3 m/s1OTe*

可以看出,随着泄漏的进行,相对较高的浓度区扩大速度变的缓 慢2.2.1液化石油气泄漏模拟 风速为1 m/s, 3 m/s,10 m/s时液化石油气泄漏情况如 图3所示1009+003506-019血少SMo-Oleoan-oi7C0a-aisoae-oi2CKte-01&006-015 50a-fl14^te-014 00e-01ioae-aiConlours M胡恥呂f「並咖 of岀曲Apr 19 201?FLUENT 5.3 (2d, dp, pbne, &pe, skf)5006-02DOOe+Oa(a)风速为1 m/s13+00 中活-CH EES Booe-cl- TMSil 700ae BSk •殳 ECOe-Ol Bake 5唇仝 4活