摘　要：采用計算流體力學(CFD)方法，在天然氣持續(xù)泄漏條件下，數(shù)值模擬風速對障礙物迎風面天然氣體積分數(shù)分布的影響，分析庭院燃氣管道泄漏對迎風面住戶的危害。

關鍵詞：天然氣泄漏??計算流體力學??庭院管道??迎風面住戶

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

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進入20世紀后期，我國能源結構開始發(fā)生變化，天然氣需求量迅速增加。天然氣具有熱值高、來源廣、環(huán)境友好等優(yōu)點，但天然氣泄漏后易擴散，易導致人員中毒甚至發(fā)生爆炸，對人民的生命財產(chǎn)造成危害，因此研究燃氣泄漏后的擴散規(guī)律具有重要意義^[1]。

現(xiàn)代計算機技術的迅速發(fā)展使得采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法研究各種流體的流動、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過程成為可能^[2]。與傳統(tǒng)的實驗和理論分析方法相比，CFD方法具有成本低且條件設置簡便等優(yōu)點。近年來，國內(nèi)外學者開始采用CFD方法對市政管道、儲罐、室內(nèi)管道燃氣泄漏問題進行研究^[3-4]。

目前，也有很多關于氣體泄漏和擴散動態(tài)模擬的研究成果發(fā)表：吳晉湘等人^[5]利用CFD方法對燃氣持續(xù)泄漏后的擴散現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬。劉欣^[2]利用CFD方法對海上油氣平臺可燃氣體泄漏進行了模擬計算。肖淑衡^[6]利用泄漏危險性氣體在大氣風流中運動的數(shù)值計算模型，對天然氣等輕質(zhì)氣體泄漏擴散運動進行了數(shù)值模擬。X．P．Liu等人^[7]對高層建筑周圍燃氣泄漏受到不同風速的影響進行了分析。

本文采用CFD方法，研究庭院天然氣管道在持續(xù)泄漏條件下，不同風速對障礙物迎風面天然氣體積分數(shù)分布的影響。

研究區(qū)域的物理模擬見圖1，模擬庭院燃氣管道持續(xù)泄漏對迎風面住戶的危害。圖中紅色矩形體為障礙物，模擬1～3層住戶的迎風面，藍色圓點為天然氣泄漏口，圖中數(shù)值單位為m。坐標系原點O位于底面中心點。障礙物底面中心點位于(0，20，0)，長度(x軸方向)為20m，厚度(y軸方向)為1m，高度(z軸方向)為10m。泄漏口圓心位于(0，25，0)，直徑為20mm，燃氣流向向上，空氣來流方向指向y軸負方向。模型底面為地面，地面設置為固體邊界，模型其他表面為自由出口壓力邊界，設為常壓。燃氣泄漏壓力穩(wěn)定在2000Pa，燃氣質(zhì)量流量為60.58kg／h，采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，以甲烷代替天然氣，風速分別選取l、5、10m／s。

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①泄漏控制方程

天然氣泄漏擴散可認為是多組分氣體相互作用的湍流，泄漏的天然氣與空氣混合形成爆炸性混合氣體，混合氣體各組分之間不發(fā)生化學反應，泄漏控制方程滿足連續(xù)性方程、動量方程、組分方程^[8]。

②流動方程

選擇湍流計算中應用范圍最廣的k-e湍流方程，通過增加單位質(zhì)量流體湍流脈動動能后和單位質(zhì)量流體脈動動能耗散率占的控制方程使湍流時均方程組封閉，標準方程形式見文獻[9]。

由于甲烷爆炸極限(體積分數(shù))為5％～l5％，因此本文給出的障礙物迎風面甲烷體積分數(shù)分布云圖可辨識的甲烷體積分數(shù)(稱為甲烷辨識體積分數(shù))范圍設定為0～15％，并將甲烷爆炸極限定義為危險體積分數(shù)范圍。

①yOz平面的體積分數(shù)分布

不同風速下yOz平面上甲烷辨識體積分數(shù)分布云圖(視線方向為x軸負方向)見圖2～4。由圖2可知，當風速為1m／s時，障礙物迎風面危險體積分數(shù)范圍分布在7～10m高度范圍內(nèi)。當風速為5m／s時，分布在0～5m高度范圍內(nèi)。當風速為l0m／s時，分布在0～3m高度范圍內(nèi)。

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②不同高度上的體積分數(shù)分布