基于稳定风场的埋地天然气管道泄漏数值模拟

   黄雪驰，马贵阳，王锡钰，张  铄，庞  荣

   （辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001）

摘要：针对目前城镇埋地管道天然气泄漏研究模拟工况简单、可信性较低等问题，考虑障碍物对环境风场的影响，利用计算流体力学( CFD)软件建立天然气管道三维泄漏模型，将模拟过程分为环境风场的稳态模拟和管道泄漏扩散的瞬态模拟两步，分析天然气泄漏扩散规律。结果表明：在风场稳态模拟中，建筑物附近风场受干扰明显，上游形成小范围的低速滞留区，下游形成较长的尾迹。在天然气泄漏扩散瞬态模拟中，土壤层天然气受风速影响较小，气体在近地面及贴近建筑物侧积聚，扩散范围随时间逐渐趋于稳定，泄漏扩散达到稳定后表现出土壤层积聚、气云沉降、贴近建筑物积聚、气云扩散局限性的特征。风速主要影响天然气的扩散高度，对水平方向的扩散范围影响较小，风速与天然气扩散高度成反比。

关键词：天然气泄漏；埋地管道；障碍物；风场；数值模拟

中图分类号：X937  doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 01. 018

0  引  言

  城镇地区的天然气埋地管道在运行过程中，由于不可避免的自然或人为损坏等因素导致泄漏事故时有发生，造成能源流失的同时也严重威胁到附近居民的生命财产安全。进行合理的天然气泄漏扩散模拟可以预测危险范围，为事故的应急救援提供科学指导。近些年，学者们对于复杂环境下天然气泄漏后扩散的一般规律和模拟结果取得了较大进展。李朝阳等对比埋地和架空管道两种不同敷设方式下的天然气泄漏情况，重点分析瞬时及持续泄漏下的气体扩散规律；张甫仁等针对城市建筑群区域人口密集扩散难度大的情况，模拟分析了建筑物群外空间天然气泄漏扩散浓度场及其规律；付建民等在实验基础上利用CFD软件研究裂口几何形态对于输气管道小孔泄漏的影响。然而在目前城镇地区埋地天然气泄漏扩散的研究中，学者们罕有考虑计算流域内建筑物自身对流过的风场产生较大阻塞作用这一重要因素，建筑物附近风场的流动状态对于天然气泄漏初期扩散影响较大，同时目前研究的大多数模型建立较为简单，致使模拟结果误差较大。

  本文利用CFD软件建立三维埋地管道天然气泄漏扩散模型，将整个数值模拟过程分为计算流域风场的稳态模拟及在稳定风场基础上的天然气泄漏扩散过程的瞬态模拟两步，并对不同风速条件下的泄漏扩散进行对比分析，得到更加可信、更具参考价值的埋地天然气管道泄漏扩散规律。

1  控制方程组

1.1  物质传输模型

气体扩散流动问题一般采用雷诺时均方程：

  式中：k、μ1分别为湍动能和湍流粘性系数，其值随空间的变化受湍流模型限制。标准的k--ε湍流模型在具有管道弯曲壁面的风场计算时会产生一定的失真，R ealizablek --ε湍流模型作为广泛应用的改进模型，能够有效的应用于弯曲壁面流动，获得更佳的模拟结果。

1.2  物质扩散模型

  CFD软件可以利用对物种传输扩散守恒方程的求解，预测第i种物质的质量分数，其组分运移方程如下：

  式中，S ct为湍流施密特数。

2数值模拟及结果分析

2.1  计算模型及边界条件

  城镇地区的天然气管道多采用埋地敷设，计算流域分为处于完全开发大气边界层中的空气域及土壤层，本文设定足够大的计算流域尺寸为500 m（长）×400 m（宽）×163 m（高），其中空气域高度为160 m，建筑物（障碍物）尺寸为30 m（长）×10 m（宽）×16 m（高），建筑物距离风速入口边界150 m，可知建筑物摆放位置可以保证流动充分发展，阻塞率为0. 74 %，计算流域对建筑物附近流域状况基本没有影响。土壤层高度为3m，管道敷设埋深2m，直径为800 mm，埋地管道在建筑物上游水平距离3m处，管道泄漏为圆孔泄漏，泄漏口直径200 mm，泄漏口位于管道顶面方向向上。

  基本参数：管内和环境温度为300 K，环境压力为101 325 Pa，天然气泄漏速度为240 m/s，采用如下指数公式对环境风速进行修正，为了便于计算天然气简化为纯甲烷气体，甲烷的爆炸范围为5% ~15%，取1%作为天然气危险警戒浓度，泄漏过程为管内压力不发生变化的持续泄漏。土壤物性参数：密度为1 540 kg/m3，比热容为2 180 J/( kg．K)，导热系数为1.5W/(m. K)，孔隙度为0.43，平均粒子直径为0.2mm，计算得到渗透率为29 m D，惯性阻力系数为53 948m。环境风速采用广泛应用的指数公式：

  式中：u、u1分别为地面以上高度为z、z1处的风速，m/s; a为地表粗糙度因素，本场景取0.16。本场景模拟10 m处风速分别为4 m/s、6 m/s、8 m/s，即z1=10m，u1=4 m/s或6 m/s或8 m/s。风速随高度变化如图1。

  本文采用分体加密法将计算流域分成25个体块，对管道所在体块、土壤层体块、近地面体块进行加密处理（如图2），计算模型总网格数达到110万，最大偏斜率0. 74，大部分网格偏斜率低于0.2，满足本文的计算精度要求（最大偏斜率小于0. 90）。本文假设气体为不可压缩流体故两个人口边界均采用速度入口边界，计算流域顶面及侧面均设置为对称边界( SYMMETRY)；土壤层区域设置为多孔介质( POROUS)，其阻力系数各向同性；土壤层与大气层的交界面设置为多孔阶跃( POR-OUS - JUMP)；管壁、建筑物壁面及土壤层底面为无滑移的恒温壁面( WALL)；稳态风场模拟中为了便于计算收敛，出口边界选择压力出口边界(PRESSURE - OUT-LET)，在天然气泄漏扩散瞬态模拟时，压力出口边界中难以预测出口边界的甲烷浓度，因而采取自由出流边界( OUTFLOW)。

2.2风场稳态模拟

  进行风场稳态模拟时，认为管道处于安全运行状态，即天然气泄漏口设置为WALL边界，以u1=6 m/s为例，通过稳态模拟得到不同剖面风速等值云图及矢量图（如图3、图4）。

  从图3可以看出，计算流域整体上表现为大气边界层流动的特征，同时在出口边界处流动得到了充分发展，验证了计算流域尺寸、建筑物摆放位置的合理性。虽然建筑物仅对近地面的有限区域造成了影响，然而其对天然气泄漏扩散行为有着较大影响，对建筑物附近风场进行分析是十分有必要的。

  图4充分显示了建筑物对气流的阻塞作用，表现为：横风向和上游气流受建筑物影响较小，下游受建筑物影响明显；建筑物上游形成一个小范围的低速滞流区，下游形成一条较长的尾迹，且尾迹内速度分布由内向外先减后增；随着高度的上升，尾迹逐渐变短，当达到40 m高度时建筑物的阻塞影响几乎可以忽略。综上可知，建筑物对风场的影响主要集中高度较低的建筑物附近及建筑物下游区域，建筑物上游的低速滞流区会使天然气积聚不利于扩散，建筑物侧缘及上缘的高速区则会加速天然气向周围空气的扩散，建筑物周围风场势必对

天然气泄漏扩散过程造成重大影响。

2.3  天然气泄漏扩散瞬态模拟

  在完成环境风场的稳态模拟后，改变泄漏口边界及出口边界的边界条件，将压力速度耦合方式改为“PISO”算法，便于每个时间步的收敛，时间步长选取0. 01 s对泄漏过程进行瞬态模拟。

  由图5可以看出，在泄漏扩散的初期天然气向上泄漏到土壤层，动能大幅衰减，天然气首先在土壤中缓慢扩散，短暂时间后从地面泄漏出呈现四周膨胀扩散的趋势，但扩散到地表以上的天然气由于速度较低，容易受稳定风场的影响在建筑物迎风侧迅速积聚，气云高度、扩散范围等随时间增大并逐渐趋于稳定。天然气气云在扩散过程中呈现以下几个主要特征：①土壤层积聚特征。土壤的阻力作用使天然气在土壤层扩散范围较小，气体积聚现象明显，容易引发爆炸事故。②气云沉降特征。从土壤中泄漏出的天然气气云在大气边界层风速梯度的作用下积聚在地面，不易在高度方向上扩散，因此天然气泄漏扩散的主要危险区域为近地面。③贴近建筑物积聚特征。由于建筑物迎风面存在小范围的低速滞留区，天然气在该区域的扩散速度较慢容易积聚，表现为如图所示的贴近建筑物积聚的特征。④气云扩散局限性特征。结合图4，在建筑物边缘拐角处风速梯度较大，天然气扩散速度骤增，气云浓度在上缘及侧缘处被严重稀释，天然气难以扩散到背风侧及下游较远区域，同时验证了模拟稳定风场的必要性，通过风场稳态模拟能够使泄漏扩散的模拟结果更加贴近实际情况。

  由以上分析可知，稳定风场对于建筑物附近天然气管道泄漏扩散影响十分明显，针对不同风速的稳定风场，本文给出了对应的扩散趋于稳定时的天然气云图如图6，可以看出，不同风速条件下的气云扩散的高度有明显区别，环境风速与扩散高度成反比，但环境风速对天

然气气云在水平方向的扩散影响较小，对于土壤层内气体扩散几乎没有影响。

  由模拟看出近地面及建筑物表面的泄漏扩散是影响最为明显的，同时也是人们最为关心的，通过提取数据，得到不同风速条件下扩散范围随时间的变化规律如图7。可以看出：在泄漏扩散初期(0~ 20 s)，天然气受环境风场影响较小，气云主要积聚于建筑物上游低速滞留区，不利于天然气向周围大气中稀释，表现为气云高浓度边界向四周推进较快；随着泄漏扩散的进行，天然气扩散范围逐渐趋于稳定，高浓度边界推进减弱，这是由于低速滞留区边缘的风速梯度极大，加快了天然气向周围环境扩散的速度，导致边缘处天然气浓度迅速降低，最终呈现为贴近建筑物及地面的小范围气云；环境风速对建筑物表面天然气横向扩散距离影响较小，这是由于建筑物侧缘较大的风速梯度限制了天然气的横向扩散；环境风速越大，天然气扩散高度越低，大气边界层风速梯度起主导作用，使天然气难以向高空扩散；天然气在迎风方向受到的阻力较大，扩散影响范围较小，风速影响不明显；稳定风场的风速越大，扩散范围趋近稳定的时间越短。在本文工况条件下，建议应以低风速条件下的泄漏扩散范围作为处理泄漏事故的预测考量，当建筑物为带窗户的楼房时泄漏的危险性也将成倍增长。

3  结论

  本文采用CFD软件对城镇地区（有建筑物存在的工况）埋地天然气管道泄漏扩散过程进行了模拟，整个模拟过程分为风场稳态模拟及天然气泄漏扩散瞬态模拟两部分，得出如下结论：

  1)在风场稳态模拟中，计算流域表现为大气边界层特征，建筑物仅对其附近风场流动影响十分明显；在建筑物上游形成小范围的低速滞流区，下游形成一条较长的尾迹；在建筑物的上边缘及侧缘处风速剧增，风速梯度很大，势必影响天然气泄漏扩散情况。

  2)天然气埋地管道泄漏扩散过程表现出土壤层积聚、气云沉降、贴近建筑物积聚、气云扩散局限性的特征。其中气云扩散局限性特征证明了风场稳态模拟对于整个天然气泄漏扩散模拟的必要性。

  3)在天然气泄漏扩散初期，天然气受环境风场影响较小，气体积聚明显，高浓度边界向四周推进较快；随着泄漏扩散的进行，天然气扩散范围随时间逐渐趋于稳定，最终表现为贴近建筑物及地面的小范围气云。

  4)风速对建筑物表面天然气横向扩散距离影响较小，受侧缘风速梯度限制；风速与天然气扩散高度成反比，大气边界层风速梯度起主导作用；天然气在迎风方向受到的阻力较大，扩散距离不明显；风速越大，扩散范围达到稳定的时间越短。建议重视低风速条件下的天然气泄漏及建筑物为带窗户的楼房时的情况。