庭院燃气管网燃气泄漏扩散规律数值模拟分析

庭院燃气管网燃气泄漏扩散规律数值模拟分析

梁腾飞,范小丰,胡鹏举,范赛

河南省锅炉压力容器安全检测研究院洛阳分院，河南洛阳471000

摘要：随着城市燃气管网的不断发展，庭院燃气管网也随之发展。近年来在很多庭院燃气管网建设中仍发现存在一些安全隐患。文章以某居民小区的庭院燃气管网为研究对象，运用数值模拟方法对其进行了泄漏扩散规律的研究。结果表明：当泄漏点处于庭院中心时，泄漏气体浓度达到最高值，而当泄漏点处于庭院外围时，泄漏气体浓度变化幅度较小，在局部区域达到一个稳定值。

关键词：燃气；泄露；数值模拟

1. 引言

庭院燃气管网是指在建筑物内或城市地下管网周围，将各种用气终端（主要为室内用气）接入到庭院中用气系统，其安全管理责任相对于室外的燃气管网来说，更加严格。是燃气输送的重要途径之一。因其在使用中所占比例较大且具有一定安全性而被广泛应用于住宅小区、商业综合体和工业生产等领域。庭院燃气管网的建设不仅要考虑经济性问题，还要考虑到施工进度以及运营成本等方面的因素。因此在建设中，不仅要考虑如何降低工程造价，还应注意到其是否存在安全隐患及后期如何维护管理。

我国对庭园燃气管网安全的管理工作要求十分严格，由于庭院燃气管道和用户设施之间的相对独立性、隐蔽性和空间狭小性，使得其事故隐患较为突出，对人们的生命财产造成严重的损失。庭院燃气管网内存在各种类型的泄漏形式：管道内泄漏、自然泄漏；以及与建筑物相连的管道及附属设施漏气、气体浓度异常等。庭院燃气管网内各类泄漏形式所产生的气体流动和扩散规律不尽相同，通过数值模拟可获得相关规律。本文将以某庭院燃气管网为例进行数值模拟研究。

2. 物理模型及边界条件

物理模型：庭院燃气管网几何尺寸为长300 mm，宽120 mm，高180 mm。边界条件：气体流场为湍流流动。考虑到模拟时采用网格，计算区域内所有边界条件都是通过用户定义进行设置。初始条件：气态燃气分子在大气中扩散的过程中，温度和压力会不断变化，当气态燃气浓度发生变化时，会影响气体浓度分布及扩散的规律。由于空气对气态燃气的密度、温度影响很小，所以选择气态燃气浓度分布作为初始条件。计算区域为水平方向1m×1m大小的矩形区域，边界条件为速度矢量从0到2阶速度矢量。初始状态：设置初始温度为50℃，气态射流参数设置为0.4、0.5、0.8g/s、1.0g/s；燃气浓度设置为5%。

3. 数值模拟方法

湍流模型：采用 VOF方法对气相湍流进行模拟，考虑了湍流粘性的影响。离散相模型：采用不可压缩标准k-ε模型。壁面函数的选取是基于本文模拟过程中采用的壁面函数，通过与实验结果对比，选择了合理的壁面函数。入口边界条件：根据研究需要，在某一个时刻，燃气进入气相中扩散，入口位于管道中出口点。动网格技术：采用有限体积法进行网格划分，计算区域尺寸为200 mm×50 mm，网格剖分数量为620万条。计算结果后处理方法：为了能够得到气态燃气在大气中扩散的动态变化过程图及气流分布情况、压力分布状况、速度矢量分布以及流场结构等信息，采用非结构化网格技术将原始数据通过 Tomcat软件进行处理。模拟时间步长：根据计算需要，设定时间步长为5s。

4. 数值模拟的数值求解方法

采用RNGk-ε湍流模型，对压力及速度进行离散，并采用SIMPLE算法进行求解，压力及速度的离散采用三阶Runge-Kutta法。边界条件：设定入口速度为10m/s，出口速度为20m/s，采用二阶迎风格式，雷诺数 Re=10×10^4。时间步长：取30s、90s （标准值）。初始条件：设定初始条件为均匀设置；初始边界为各向同性；计算域内无摩擦；压力保持一致，且均大于0 [压力变化系数α]=-0.1。

压力的计算过程：式中：[x (t)]为第t时刻单位长度上的平均绝对压差和平均瞬时压差；[x (t)]为单位长度上的平均绝对温度以及单位长度上的平均压降；[y (t)]为单位长度上的平均绝对热流量；[x (t)]、[y (t)]分别为对应于某一时刻的体积流量、质量流量；[x (t)]为对应于某一时刻的体积流量和质量流量。

5. 数值模拟计算过程与结果分析

气态燃气分子在大气中扩散过程中的动态变化，可以分为以下三个阶段：开始阶段：气体浓度逐渐增大，气体密度变大，速度也不断增大。发展阶段：气体浓度开始减小，气体密度逐渐增大，气态燃气分子运动轨迹开始改变。消散阶段：由于气态燃气分子撞击到物体后发生了改变，使得气体在周围空气中的浓度不断减小。

分析可知：气态燃气分子运动速度随气态燃气密度减小而下降；气态燃气分子速度矢量越小，扩散距离越大；扩散距离与流体密度、温度、压力无关。同时还发现随温度升高气体速度变大；随压力降低气体速度减小。综合分析得出：在不同情况下，气态燃气分子扩散规律具有一定的差异。

6. 不同泄漏速度下燃气泄漏情况

对庭院燃气管网的不同泄漏速度下气体扩散进行了数值模拟。随着气态燃气分子扩散距离增大，其气体速度也增大。当气态燃气分子扩散至距离较远时，其运动轨迹与气体的扩散方向相反。在研究过程中，考虑到该庭院燃气管网为室外管线且无人行走或车辆行驶时，因此模拟时间定为20s。随着泄漏距离越来越远，燃气泄漏位置逐渐向外迁移且距离越远泄漏区域就变小；同时在研究过程中发现其浓度随泄漏速度的增大而增加；随着燃气密度增大，其空气速度也在减小；同时可以看出不同速度下气体扩散角度逐渐变大；当气体密度越大时扩散角度变小。

7. 仿真结果分析和讨论

在对研究对象进行模拟分析时，为了避免局部区域内的气体浓度值偏高，需要将整个小区内的燃气管道分成若干个小区域，并对每一个小区域内气体浓度值进行分析。为了研究该小区庭院燃气管道的泄漏扩散规律，需要将整个小区作为一个整体来进行模拟计算。

考虑到该小区的庭院燃气管道实际分布情况，可以将整个小区划分为四个区域来进行计算。将模拟模型尺寸设置为：宽300 mm×深200 mm×高50 mm。在计算过程中需要对该模型的网格划分方法和设置参数等方面做进一步的研究。为了使计算结果更加准确，需要使用边界条件设定方法来选择合适的边界条件，同时在每个模拟区域中都需要添加一个小压力值作为边界条件。

8. 庭院管网泄漏扩散规律的数值模拟实例分析

以某居民小区的庭院燃气管网为例，选取3种典型建筑进行分析。具体分析方法如下：在所选的典型建筑物内，每个房间分别建立1个1/4缩尺模型，采用 ANSYS中的 Fluent进行数值模拟。

建筑物平面图：基于某居民小区内某栋2层楼房建筑高度为3.95m，该栋楼为一梯2户3单元的高层住宅，其中一楼为厨房，二楼为卧室，三楼是客厅及卫生间。计算模型参数：设置模型的主要参数。计算工况：本文对整个建筑物内不同部位的燃气泄漏扩散规律进行了数值模拟。计算时考虑到不同位置处不同建筑结构所产生的影响，在建筑物顶部设置了两个入口；在建筑物内上部设置了一个出口。结果输出：本文模拟值与实测值之间相差较小（小于5%），但从整体上来看还是存在一定差距的。

本文采用一维的流动模型来模拟庭院燃气管道泄漏扩散规律，由于一维流动模型有较大的离散度，而数值模拟是离散化后进行数值计算，因此在一维流动模型中加入了大量的壁面网格和流体网格。

9. 结束语

在城市燃气管网的发展过程中，应该重视庭院燃气管道的安全建设，以避免潜在的安全事故发生。在规划时要考虑庭院燃气管网布局和建设是否合理，并进行安全评估。针对庭院管网泄漏问题采用数值模拟分析方法时，需对计算区域内的气体浓度分布进行适当调整，避免发生危险情况。由于实际工作中存在许多因素影响气固相扩散过程，因此无法通过数值模拟计算得到气体在不同方向上扩散规律。采用不同数值方法分析泄漏点附近气体浓度变化规律时，需要根据不同区域的特点来选择合适方法进行计算。

本文中采用有限元分析方法时，可将气固相扩散模型转化为气固相扩散模型，对于复杂的气固相流场计算可通过改变模型的边界条件进行设置，对求解速度影响较小。

参考文献：

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