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摘要：风力是影响天然气扩散的重要因素之一，为了更加准确的得到燃气管道泄漏扩散的规律。考虑风速的不均匀性，利用Fluent软件，模拟不同风速下天然气泄漏扩散的规律，得到在近地面处风速对泄漏口处天然气的扩散影响很少，风速越大对天然气的搬运能力越大，处于风口下方的危险区域越大。
关键词：泄漏；不均匀风场；Fluent；天然气
引言
近年以来随着国家清洁供暖和气代煤工程的实施，我国天然气集输管道的总长度出现暴发式的增长。输气管线越多，发生泄漏和爆炸事故的可能性越大。因此合理准确的预测天然气泄漏扩散规律，对泄漏点的发现和发生泄漏后的求援工作等具有重要意义。
文献[1]基于射流理论，计算得到在水平方向天然气和液化石油气的爆炸危险区域；文献[2]利用Fluent软件模拟不同风速下天然气扩散过程，得到风速越大天然气沿风向扩散的距离越远，危险范围越大；文献[3]利用Fluent对不同风速和障碍物分布下天然气扩散的模拟，得到风速越大风力对天然气的输送能力越大，受障碍物的影响，扩散先沿着壁面然后发生偏转；文献[4]对管道泄漏进行了具体分析和仿真模拟得到了影响扩散的主要因素：泄漏速度、风速、障碍物等。文献[5]根据风速与风压的关系利用数值计算，建立天然气扩散的三维扩散方程。以往很多研究中只考虑平均风速很少考虑风速随着离地高度变化发生的变化，故很难准确的预测天然气泄漏的扩散规律。本文利用Fluent软件，使用 UDF文件定义风速的不均性，对不同风速下天然气泄漏扩散情况进行模拟。
1 建立天然气管道泄漏模型
1.1 物理模型
在实际工程中经常出现燃气管道被挖断的情况，燃气管道破坏后大量的天然气泄漏进入大气给周围带来极大的安全隐患。本文主要研究天然气泄漏后在风的作用下的扩散情况，基于上述情况将燃气泄漏模型进行如下简化：
（1）建立二维模型以长200高100作为求解区域，风从左边吹入求解区域，如图1所示；
（2）模拟的环境温度为27℃，压力为101325Pa；
（3）假设泄漏为连续泄漏，泄漏口为圆形直径为0.1m；
（4）将天然气的成分简化为甲烷，只考虑甲烷的泄漏情况。
2 结果分析
2.1 天然气泄漏时的质量分数分布图
获得不同风速下天然气浓度的分布情况，对天然气泄漏扩散规律的研究具有非常重要的意义。在0、2、4、8m/s的风速下，50秒时，图2-图5天然气扩散后的浓度分布云图。
图6 风速为8m/s时
当天然气的泄漏速度为100m/s时，从上图可以分析得到，在风速的作用下，天然气泄漏的方向，风向偏移，且风速越大，偏移的程度越大。由于风速的不均匀性在近地面处的风速很小，而泄漏的初速度很大，因此在泄漏口近地面处这种偏移现象不明显，当大于一定高度时风速对泄漏的影响显著。
2.2天然气质量分数的等值线分布图
天然气的爆炸体积分数为5%~15%（相应的质量分数为3%~9%）[7]。图6-图10为t=50s，在风速为0、2、4、8m/s，天然气泄漏后的质量分数图。当风速为0m/s时，天然气危险浓度范围纵向的最大距离48m，横向天然气的危险浓度范围为20-40米。安全区域为x<20m，x>40m，y<48m。当风速为2m/s时，天然气危险浓度范围纵向的最大距离30m，横向天然气的危险浓度范围为80-160米。安全区域：x<80m，x>160m，y>30m。当风速为4m/s时，天然气危险浓度范围纵向最大的距离20m。根据图8可知横向扩散的距离超出计算范围，横向天然气的危险浓度范围为x>90米。安全区域：x<90m，y>20m。当风速为8m/s时，天然气危险浓度范围纵向的最大距离10m，根据图9可知横向扩散的距离超出计算范围，横向天然气的危险浓度范围为x>100米。安全区域：x<100m，y>10m。
通过对图3的分析得到，当风速增加时，很容易在地面附近形成危险区域，且风速越大，对燃气携带输送能力越大，很容易形成较大的危险区域。
图10 风速为8m/s时
3 结论
（1）根据实际的风场的不均匀性，利用fluent软件模拟不同风速对泄漏的影响，分析了在风速为0、2、4、8时泄漏扩散的浓度分布图，得到天然气的扩散过程中风速起主要作用，当风速越大时扩散向近地面偏移的程度越高。根据风速的不均匀性，在近地面处的风速基本为0，风速对天然气的扩散的影响只在一定高度后才产生。
（2）风速对扩散的影响很大，当风速较小时扩散以纵向为主，当风速变大时，逐渐以横向沿风向方向扩散为主，且风速越大，越容易在近地面附近形成爆炸危险区域。
参考文献：
[1]田贯三. 管道燃气泄漏过程动态模拟的研究[J]. 山东建筑大学学报，1999，14（4）：56-60.
[2]邬长福，吴惠萍，刘赟. 风速对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟[J]. 工业安全与环保，2013，39（12）：46-49.
[3]孙振国，邵春雷. 考虑障碍物分布和风速影响的天然气泄漏扩散研究[J]. 化工机械，2017，44（3）：350-356.
[4]秦政先. 天然气管道泄漏扩散及爆炸数值模拟研究[D]. 西南石油大学，2007.
[5]张文艳，姚安林，李又绿，等. 风力对天然气管道泄漏后扩散过程的影响研究[J]. 天然气工业，2006，26（12）：150-152.
[6]陶文铨. 数值传热学[M]. 西安交通大学出版社，2003.
[7]薛海强，张增刚，田贯三，等. 可燃气体泄漏扩散影响因素的数值分析[J]. 山东建筑大学学报，2009，24（6）：558-563.
论文作者:高加辉,徐瑞君,姜建梅,陈晓明
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/28
标签：风速论文; 天然气论文; 越大论文; 浓度论文; 危险论文; 管道论文; 区域论文; 《防护工程》2019年第6期论文;