范開峰,王衛(wèi)強,衣照秋,劉人瑋,于 爽
(1. 遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001;2. 遼河石油勘探局油田建設(shè)工程一公司,遼寧 盤錦 124000; 3. 中國石油大學(xué)(北京),北京 102249)
近年來,伴隨著海洋資源的不斷勘探開發(fā),越來越多的海洋平臺和海底管道被建立起來。海底管道作為海上油氣集輸?shù)闹饕侄?,已成為輸送海洋油氣資源的生命線。但是,海底管道工作環(huán)境惡劣,不僅容易發(fā)生腐蝕穿孔,還容易受到海流、潮汐、波浪、海底滑坡等自然環(huán)境的影響,同時易受到第三方破壞,如船舶拋錨、漁船拉網(wǎng)作業(yè)等的影響[1-2]。這使得管道失效率高,容易發(fā)生泄漏事故,泄漏事故一旦發(fā)生,不僅造成巨大的直接經(jīng)濟損失,還會污染周邊海洋環(huán)境,影響安全生產(chǎn)甚至造成人員傷亡事故。其中,泄漏的天然氣如果在海水表面聚積,遇到明火還有可能發(fā)生火災(zāi)和爆炸等二次惡性事故,對海洋平臺、船舶及人員安全形成嚴重威脅。因此,對海底天然氣管道泄漏進行數(shù)值研究具有現(xiàn)實意義。
利用計算流體力學(xué)軟件中的 VOF模型模擬海底天然氣管道泄漏過程,天然氣管道泄漏過程要遵守質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分質(zhì)量守恒方程,其表達式如下:
式中:r—氣體密度,kg/m3;
t—時間,s;
u、v—x、y方向的速度,m/s。
動量守恒定律實際上是牛頓第二定律。在慣性(非加速)坐標(biāo)系中i方向上的動量守恒方程為:
式中:r—氣體密度,kg/m3;
t—時間,s;
ui、uj—相應(yīng)坐標(biāo)系上的速度,m/s;xi、xj—相應(yīng)方向坐標(biāo);
p—流體微元體上的壓強,Pa;
tij—因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力t的分量;
Fi—相應(yīng)方向上的單位質(zhì)量力,m/s2;m—動力粘度,Pa·s;
dij—克羅內(nèi)克符號,當(dāng)i=j時,dij=1,當(dāng)i1=j時,dij=0。
式中:r—氣體密度,kg/m3;
t—時間,s;
E—流體微團的總能(J/kg),包含內(nèi)能、動能和勢能之和,
h—焓(J/kg),hj為組分j的焓(J/kg),定義為其中Tref=298.15K;
p—氣體壓強,Pa;
keff—有效熱傳導(dǎo)系數(shù),W/(m·K),keff=k+kt;
kt—湍流熱傳導(dǎo)系數(shù),根據(jù)所用的湍流模型來確定;DT—溫差,K;
Jj—組分j的擴散通量;
Sh—包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積熱源項。
式中:r—氣體密度,kg/m3;
t—時間,s;
cs—組分s的體積濃度;r cs—該組分的質(zhì)量濃度;Ds—該組分的擴散系數(shù);Ss—系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量,即生產(chǎn)率。
以南海某氣田工程為參考[3],對水下10 m深處海底管道進行研究,研究區(qū)域為10 m×10 m的二維幾何區(qū)域。管道管徑為355.6 mm,入口壓力9 MPa,泄漏點處壓力為6.5 MPa,泄漏口直徑為70 mm,泄漏點處天然氣壓縮系數(shù)[3]為0.9,密度為44.38 kg/m3,天然氣溫度為313.15 K,天然氣成分理想為CH4。選用小孔泄漏模型進行計算[4,6],泄漏質(zhì)量流量為43.5 kg/s,折合入口流速為254.68 m/s。
網(wǎng)格劃分采用Quad和Map結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式,天然氣入口邊界設(shè)置為速度入口,底邊設(shè)置為壁面邊界,液體表面和左右兩側(cè)設(shè)置為自由出流邊界,如圖1所示。
天然氣管道一旦泄漏,將有連續(xù)的氣流注入水中并形成氣泡,周圍液體在氣流上升作用帶動下形成主要向上方向的流動,稱為氣泡羽流。氣泡羽流流場主要劃分為三個區(qū)域[7,8]:①形成區(qū);②形成后區(qū);③表面流區(qū),其流場示意圖如圖2所示。在形成區(qū),氣流破碎成氣泡并與周圍液體混和,羽流寬度和軸線流速增長速率快;而形成后區(qū)羽流寬度和軸線流速的增加要緩慢得多;在氣泡上升到液體表面附近時,羽流轉(zhuǎn)向水平方向流動,形成表面流區(qū)。
圖1 網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.1 The grid division and boundary conditions
圖2 氣泡羽流流場示意圖Fig.2 The schematic diagram of bubble plume flow field
流體體積分數(shù)(VOF)模型于 1981年由 Hirt和 Nichols[9]首先提出,是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法,通過求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分數(shù)來模擬兩種或三種不能混合的流體,可應(yīng)用于分層流、射流破碎、流體中的大泡運動和自由表面流動等[10]。
選用非穩(wěn)態(tài)壓力基求解器,在天然氣泄漏過程中,氣泡形成和上升過程中與液體的相互作用力比較復(fù)雜,湍動很劇烈,故選用標(biāo)準(zhǔn) 兩方程模型。為了提高解的收斂性,選用PISO算法,并開啟Implicit Body Force,這樣可以部分平衡壓力梯度和動量方程中的體積力,加速收斂[11,12]。對于自由出流邊界,左右兩側(cè)的出流流量設(shè)置為0,上部設(shè)置為1,即泄漏天然氣全部從上部逸出。
通過模擬計算,得出了海底管道泄漏后不同時刻甲烷在水中的分布情況。對比分析后,給出了具有典型代表時刻0.1, 0.5, 1.0, 1.4, 1.8, 2.2, 2.5, 3.0 s時的濃度分布云圖,如圖3-圖6所示。
圖3 泄漏0.1 s和0.5 s時刻的CH4濃度分布云圖Fig.3 The concentration distribution of CH4 when the time is 0.1 s and 0.5 s
圖4 泄漏1.0 s和1.4 s時刻的CH4濃度分布云圖Fig.4 The concentration distribution of CH4 when the time is 1.0 s and 1.4 s
圖5 泄漏1.8 s和2.2 s時刻的CH4濃度分布云圖Fig.5 The concentration distribution of CH4 when the time is 1.8 s and 2.2 s
圖6 泄漏2.5 s和3.0 s時刻的CH4濃度分布云圖Fig.6 The concentration distribution of CH4 when the time is 2.5 s and 3.0 s
由于甲烷泄漏質(zhì)量流量大,且管道內(nèi)外壓差巨大(泄漏瞬間管道內(nèi)壓強是管道外壓強的32倍),因此甲烷泄漏瞬間即在泄漏口上方形成一個氣團。由其濃度分布云圖知其泄漏 0.1 s時形成一個半徑約1 m的“半球”形氣團,氣團中甲烷體積分數(shù)為1。在泄漏0.5 s時刻,氣團進一步擴張變大,形成左右半徑約2 m、高約2.5 m的“水滴”形狀氣團。在1.0 s時刻,氣團較之前在左右方向上擴張距離很小,高度擴張距離較大,形成半徑約2.1 m的“球”形氣團。
隨后,氣團主要在高度上進一步向上擴張,在1.4 s時刻氣團上升距離近10 m,頂部約到達海水表面。與此同時,氣團湍動強烈,在上升羽流中心兩側(cè)形成回流漩渦,氣團有分散成小氣團的趨勢。當(dāng)氣團頂部大部分接觸到自由液面后,氣團開始逐漸向左右兩側(cè)擴散,有水平運動的趨勢。當(dāng)泄漏趨于穩(wěn)定后,其氣體分布情況與圖2所示的氣泡羽流流場相符合。由圖可知,泄漏氣團中甲烷體積分數(shù)大部分都為 1,說明甲烷比較集中,這主要由于甲烷泄漏質(zhì)量流量大,泄漏氣體供應(yīng)充分的緣故。
通過對海底天然氣管道泄漏過程的數(shù)值模擬,得到了其濃度分布特性,符合氣泡羽流流場分布情況。泄漏甲烷氣團形狀經(jīng)歷了“半球”形、“水滴”形到“球”形的過渡過程,其后大氣團上升破碎成小氣團并向左右兩側(cè)擴散。
研究海底管道氣體泄漏擴散過程和擴散規(guī)律對于海洋油氣資源開發(fā)與運輸、海洋平臺安全運行、船舶安全和人員安全有著重要的現(xiàn)實意義,同時也為突發(fā)事故應(yīng)急處理與救援提供了理論支持。
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