压力对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟

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1、四川化工第12卷2009年第6期工艺与设备21ttttttl7压力对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟王树乾邱荣先。钟月华肖泽仪(1．四川大学4453-学院，成都，610065；2．四川省特种设备检验研究院，成都，610061)‘摘要利用Fluent软件的物质传输模型和湍流模型模拟了不同压力下天然气管道的泄漏扩散。通过对比分析模拟结果，得到了不同泄漏压力对天然气扩散的影响效果。模拟结果可为天然气泄漏事故的处理提供一定参考。关键词：天然气管道泄漏和扩散数值模拟随着我国经济的高速发展，各地区对能源的需为应急预案编制，事故处理提供参考。求和依赖性越来越强，油气的消费量越来越大。

2、由1理论模型于油气资源分布不均的实际情况，需要借助管道将油气资源自产地输送到各地。若输气管道发生破Fluent软件针对所研究的空间进行网格划分，裂，燃气泄漏会造成环境污染，还有可能产生火灾、通过求解流体动力学控制方程以及一些附加方程爆炸、中毒等事故，引起人员伤亡、财产损失等严重(如湍流输运方程)，获取研究空间内速度、压力、温后果。因此，了解管道燃气泄漏的扩散规律与影响度、浓度等参数信息。针对天然气管道的泄漏，本文范围，对于确定安全距离，编制应急措施，事故处理采用不发生反应的组分输运模型，湍流模型计算有等有重要作用。风条件下不同泄漏压力对天然气扩散的影响。控制气体扩散的模

3、型主要有经验模型、箱模型、相似方程如下：模型和计算流体力学模型等。而经验模型和箱式模连续性方程：型适用于平坦地形，计算流体力学模型则从原理上+·()：o(1)能够模拟复杂地表对于流动的影响，并克服了箱及动量方程：相似模型辨识和模拟空气卷吸、气云受热时遇到的[／]一一一[]冉(2)问题_1]。Fluent是计算流体力学模型软件，已广能量方程：泛应用与污染物扩散研究，且模拟结果和风洞实验观测结果吻合[3]。利用Fluent软件，刘延雷等捌+()一div(篆丁)+ST(3)对高压管道氢气与天然气的泄漏进行了数值模拟比组分方程：较，并研究了障碍物对扩散的影响。于洪喜[。等对+(

4、)一di(DV(pc,))+(4)高含硫天然气管道泄漏扩散进行了研究。管道输送压力的不同对于燃气的泄漏扩散同样其中『；分别为微元体表面的粘性应力矢量具有很大的影响，目前还没有对这一问题的研究。和彻体力矢量为速度矢量；P为压力；T为温度；本文采用F1uent软件，针对有风条件下，不同管道ID为密度；乜为流体传热系数；为比热容；ST为粘压力对天然气泄漏扩散的影响进行了模拟对比，可性耗散项；Cs为组分S的体积浓度；D。为该组分的扩第6期压力对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟35散系数；Ss为组分质量生成率。泄漏口设为压力人口边界，其他边界设为压力出流由于天然气管道输气压力远大

5、于环境压力，破边界。裂后泄漏El处有较大压力梯度，形成很大的泄漏速模拟时，先得到一个高度方向存在风速梯度的度，多为射流。而Realizablek_￡湍流模型在求解射稳定的风速场，再打开组分输运模型，通过改变泄漏流以及高压力梯度下的边界层问题有十分高的精压力，得到恒定风速5m／s条件下，不同压力对甲烷度。因此湍流模型选用Realizablek_￡模型。该模泄漏扩散的影响。型中，k，e的传输方程为：3模拟结果与分析湍动能k方程：甲烷的燃烧极限范围为5～15(体积分+()一[(+]+P—数)，导致中毒窒息的体积分数为lO9／6，故选择体积(5)分数0．05为浓度研究的临界点，

6、换算成摩尔分数为湍流耗散率￡方程0．05。aqz)+V()泄漏初始时刻，管内压力远大于环境压力，形成。。射流。风速对泄漏口附近射流的影响很小，随高度一『’(+)￡]+(CEP—z)(6)的上升，射流效果减弱，风速影响加强，甲烷向下风向偏移。由于射流自模性的影响，导致地面附近的其中，，分别表示湍动能k和湍流耗散率￡空气向泄漏口附近流动，然后跟随甲烷的泄漏向上对应的Prandtl数；Pk表示粘性和浮力的影响；C￡，运动，同时在下风向会出现涡。涡的出现导致空气z均为经验常数。在Fluent中均取默认值。对甲烷的卷吸，下风向出现甲烷的积累，形成甲烷空2模拟参数及方法气的混合气云

7、。图1分别显示了泄漏20s时，0．5MPa，lMPa，3．5Mpa泄漏压力下，下风向甲烷2．1模拟场景浓度的分布情况。结合20s时的速度矢量分布分模拟场景的选择为：平坦地势(沙漠，平原等)，析，泄漏压力越大，下风向的湍流越剧烈，与空气混环境温度为300K，压力为标准大气压。为清楚地了合扩散较快。压力较小时下风向湍流稍缓和些，但解风速的影响，采用10米高空风速为5m／s。天然更靠近地面，扩散较慢，易发生燃烧、中毒事故。气长输管道出现当量直径为0．4m的圆孔破裂，发生大孔泄漏。天然气的输送压力分别为0．5MPa，1MPa，3．5MPa，输送温