（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041）

城市與平坦地勢天然氣管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值研究

黃 俊，劉勇峰

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司， 四川 成都 610041）

天然氣泄漏事故在城市環(huán)境中不斷發(fā)生。為了了解不同城市環(huán)境和平坦地勢中天然氣泄漏的規(guī)律，根據(jù)流體力學(xué)規(guī)律，建立了不同環(huán)境中天然氣泄漏的數(shù)學(xué)模型，模擬天然氣泄漏后的分布規(guī)律。結(jié)果顯示：由于環(huán)境的不同，導(dǎo)致不同環(huán)境中空氣流速分布不一樣，從而引起城市與平坦地勢天然氣泄漏規(guī)律不一致。我們在制定天然氣泄漏應(yīng)急措施時(shí)，需根據(jù)環(huán)境的不同，制定不一樣的措施。

天然氣；泄漏；擴(kuò)散；數(shù)值計(jì)算

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，近幾年在我國得到了廣泛的應(yīng)用。由于管道的腐蝕、第三方破壞等因素的影響，管道不可避免會(huì)發(fā)生泄漏的事故[1]。天然氣一旦泄漏，由于其易燃、易爆、易擴(kuò)散的性質(zhì)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)2003年到2008年我國城市室外天然氣管道事故共有67起[2]，事故涉及到39個(gè)市縣，事故原因中第三方破壞占得比例比較大。北京，上海，武漢，合肥等城市都有泄漏事故發(fā)生，嚴(yán)重影響了人們的生活和環(huán)境。

目前，科技工作者對(duì)于天然氣泄漏進(jìn)行了大量的研究，秦政先利用Fluent模擬了各因素對(duì)天然氣泄漏規(guī)律的影響[3]，胡夏琦確定了一種用于高壓管道泄漏的模擬方法，研究了高壓管道天然氣泄漏的變化規(guī)律[4]，香港、芝加哥、曼哈頓等城市都進(jìn)行了危險(xiǎn)氣體泄漏的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果一致[5～7]。參照天然氣泄漏的數(shù)值模擬方法，針對(duì)平坦地勢和城市天然氣管道泄漏的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了模擬和對(duì)比分析。

1 模型的建立

天然氣的擴(kuò)散問題是無化學(xué)反應(yīng)的單相多組分?jǐn)U散的問題，根據(jù)天然氣在泄漏擴(kuò)散時(shí)要遵循的動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，建立天然氣泄漏的數(shù)學(xué)模型。天然氣在泄漏口時(shí)速度很大，所以還要選擇合適的湍流方程。

1.1 數(shù)學(xué)模型

（1）連續(xù)性方程

式中：ρ—混合物的密度；

ui—（x，y，z）三個(gè)方向上的速度。

動(dòng)量守恒方程：

式中：P—絕對(duì)壓力；

μ—?jiǎng)恿φ扯龋?/p>

g—重力加速度；

ρa(bǔ)—空氣的密度。

能量守恒方程：

式中： cp—熱容；

k—傳熱系數(shù)；

T—溫度；

ST—流體內(nèi)熱源和機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能的部分能量。

組分質(zhì)量守恒方程

式中：Cs—組分S的體積濃度；

Ds—擴(kuò)散系數(shù)；

ρCs—質(zhì)量濃度。

湍動(dòng)能和耗散方程為:

式中：Gk—湍動(dòng)能（因?yàn)槠骄俣忍荻榷鸬模?/p>

Gb—湍動(dòng)能（因?yàn)楦×σ鸬模?/p>

YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響[8]。

1.2 物理模型及模擬參數(shù)

根據(jù)全國各大城市天然氣管道泄漏事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取DN500 mm的管道為研究目標(biāo)，泄漏孔的面積取管道截面積的20%[9]，孔口朝上，我們選擇計(jì)算區(qū)域?yàn)?00 m×100 m的二維空間，城市天然氣泄漏的模型圖如圖1所示，平坦地勢也選擇同樣大小的計(jì)算區(qū)域，模型圖如圖1、2所示。

（三）借助CAI等輔助教學(xué)手段，創(chuàng)設(shè)形象、直觀的課堂情景。充分利用好教學(xué)掛圖、實(shí)物、手偶、簡筆畫、動(dòng)作、多媒體等形象直觀、生動(dòng)活潑的教學(xué)手段，學(xué)生通過看景、聽音、會(huì)意，直接理解英語和提高用英語思維的能力，從而最大限度地控制和減少漢語的介入，培養(yǎng)良好英語語感習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

圖1 城市環(huán)境的物理模型Fig.1 Physical model of city environment

兩種物理模型的模擬條件一致，基本參數(shù)見表1，泄漏口天然氣泄漏的速度為300 m/s，泄漏速度在模擬時(shí)間內(nèi)保持不變。

2 模擬結(jié)果分析

天然氣發(fā)生泄漏后，影響較大的因素是風(fēng)速，風(fēng)在泄漏之前就已經(jīng)存在，為了更真實(shí)的去模擬現(xiàn)場的實(shí)際情況，在開始天然氣模擬之前，要先模擬出無泄漏時(shí)計(jì)算區(qū)域內(nèi)風(fēng)的流場，得到風(fēng)速的流場之后然后再模擬泄漏的，這樣可以得到更真實(shí)的天然氣泄漏規(guī)律。

圖2 平坦地勢的物理模型Fig.2 The physical model of flat terrain

圖3 X方向的速度分布Fig.3 X direction velocity distribution

圖4 Y方向的速度分布Fig.4 Y direction velocity distribution

表1 基本參數(shù)Table 1 Essential parameter

平坦地勢的風(fēng)速流場比較簡單，沒有其它因素的影響，風(fēng)速大小為5 m/s，方向?yàn)橛勺笾劣摇３鞘协h(huán)境時(shí)，由于建筑物的影響，風(fēng)速在大小和方向上都發(fā)生了一些變化，速度分布云圖如圖3、4所示。如圖可知，風(fēng)速在大小和方向上都發(fā)生了很大的變化，在建筑物中間的上方空間產(chǎn)生了一塊風(fēng)速較大的區(qū)域，最大風(fēng)速為11 m/s，這將會(huì)導(dǎo)致天然氣泄漏后擴(kuò)散規(guī)律發(fā)生明顯的變化。

圖5 4 s時(shí)甲烷的體積分布云圖Fig.5 The volume of distribution of methane at 4 s

圖6 120 s時(shí)甲烷的體積分布云圖Fig. 6 The volume of distribution of methane at 120 s

圖7 4 s時(shí)甲烷的體積分布云圖Fig.7 The volume of distribution of methane at 4 s

2.1 城市天然氣管道泄漏

圖5為城市天然氣管道泄漏4 s時(shí)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖中可以看出，在最初的4 s之內(nèi)，因?yàn)榻ㄖ镏虚g沒有風(fēng)，所以天然氣泄漏后迅速向兩邊擴(kuò)散，左邊由于風(fēng)速的影響向上擴(kuò)散較快，氣體高度已經(jīng)超過建筑物的高度。體積分?jǐn)?shù)最大的區(qū)域集中在泄漏口的上方，總體上成對(duì)稱分布。

圖6是天然氣泄漏120 s時(shí)甲烷的體積分布云圖，此時(shí)天然氣主要集中在泄漏口的右側(cè)，擴(kuò)散的高度大約為50 m，由于天然氣的密度的比空氣的小，所以天然氣越過建筑物后向地面擴(kuò)散的比較少，主要集中在20 m到50 m的高空中。

2.2 平坦地勢天然氣管道泄漏

圖7所示為天然氣泄漏4 s時(shí)甲烷的體積分布云圖，在開始泄漏的4 s內(nèi)由于風(fēng)速的作用，天然氣沿垂直和水平方向擴(kuò)散，在泄漏口附近偏右的區(qū)域體積分?jǐn)?shù)較大，擴(kuò)散速度在水平方向上較快，4 s內(nèi)已經(jīng)快到達(dá)50 m的地方。

圖8是天然氣泄漏120 s后甲烷的體積分布云圖，此時(shí)甲烷主要分布在高空中，主要集中在50 m到100 m的高空中，產(chǎn)生這么大升力主要是由于天然氣的密度小于空氣密度。天然氣離開泄漏口后垂直方向主要的動(dòng)力來自天然氣的浮力。

圖8 120 s時(shí)甲烷的體積分布云圖Fig.8 The volume of distribution of methane at 120 s

2.3 對(duì)比分析

以上分別介紹了不同環(huán)境時(shí)天然氣泄漏的過程，可以發(fā)現(xiàn)天然氣在不同的環(huán)境中時(shí)，由于建筑物的阻擋作用，環(huán)境中的風(fēng)速發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致城市天然氣泄漏時(shí)從開始就與平坦地勢的泄漏環(huán)境不一樣。

開始泄漏時(shí)，由于泄漏口附近的風(fēng)速的不同，天然氣泄漏后分布發(fā)生了變化，城市環(huán)境主要是向上和兩邊擴(kuò)散，兩邊大致對(duì)稱。平坦地勢則不同，主要向上和向下風(fēng)向擴(kuò)散，而且向下風(fēng)向擴(kuò)散速度較快。

泄漏120 s后天然氣的分布也不同，城市天然氣泄漏后主要?dú)怏w主要分布在泄漏口到右邊的建筑物中間和20到50 m的高空中。平坦地勢的天然氣泄漏后主要呈放射性分布，天然氣主要集中在50 m到100 m的高空中。如圖是120 s時(shí)城市和平坦地勢的風(fēng)速分布圖，從圖中可以得知，速度的分布有很大的不同。城市環(huán)境中氣體的速度分布很復(fù)雜，在建筑物上面大約20 m范圍內(nèi)氣體在水平方向的速度比平坦地勢大，所以氣體向上擴(kuò)散速度較慢，主要集中在高度約20 m到50 m之間。

由于地面是人主要的活動(dòng)區(qū)域，所以地面附近天然氣越多，對(duì)人越危險(xiǎn)，可能引起爆炸等事故的概率也越大。所以城市天然氣管道泄漏比平坦地勢要危險(xiǎn)，要根據(jù)城市環(huán)境的不同，制定不同的應(yīng)急措施。

3 結(jié) 論

由于平坦地勢和城市環(huán)境的不同，導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)速不一致，從而引起城市天然氣泄漏時(shí)從開始就與平坦地勢的泄漏環(huán)境不一樣。平坦地勢的擴(kuò)散主要向上和向下風(fēng)擴(kuò)散；城市環(huán)境的擴(kuò)散主要集中在建筑物中間20到50 m的高空中。城市天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，與平坦地勢不一樣，所在制做應(yīng)急措施時(shí)，要根據(jù)環(huán)境的不同來制定具體的應(yīng)急措施。

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日本研發(fā)出全球最耐熱生物塑料

日本北陸尖端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)和筑波大學(xué)的科研組日前開發(fā)出可以在400度高溫下不變性的全球最耐熱生物塑料。新制作工藝中使用了大腸菌。這種塑料的特點(diǎn)是透明且堅(jiān)硬，用這種塑料代替車用玻璃可以大大減輕汽車重量。

日本研究人員注意到，某些放線菌分泌的一種氨基肉桂酸擁有非常堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。研究人員根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)對(duì)大腸桿菌進(jìn)行基因重組，再利用它使糖分發(fā)酵，制造出自然條件下幾乎不存在的“4-氨基肉桂酸”。

研究人員通過光反應(yīng)和高分子化等方法，用“4-氨基肉桂酸”聚合制取聚酰胺酸，然后在150至250攝氏度的真空下加熱制成聚酰胺薄膜。這種薄膜難以燃燒，能夠耐受390攝氏度至425攝氏度的高溫，而此前生物塑料的最高耐熱溫度是305攝氏度。研究人員認(rèn)為，比起以石油為原料、通過復(fù)雜工藝制造的傳統(tǒng)塑料，這種生物塑料成本相對(duì)較低。他們今后準(zhǔn)備進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，爭取早日達(dá)到實(shí)用化。

Numerical Simulation of Natural Gas Pipeline Leakage in City and Flat Terrain

HUANG-Jun，LIU Yong-feng
（China Petroleum Engineering Co.，Ltd. Southwest Company，Sichuan Chengdu 610041，China）

Gas leakage accidents often occur in the city environment. In order to understand the leakage law of natural gas in the different city environment, mathematical model of natural gas leak in different environment was established based on the law of fluid mechanics to simulate natural gas distribution after the leakage. The results show that, because environment is different, air velocity distribution in different environment is not same, so gas leakage laws in the city and flat terrain are different. We should make different natural gas leak emergency measures according to the different environment.

Natural gas; Leakage; Diffusion; Numerical simulation

TU 996

A

1671-0460（2014）02-0298-03

2013-08-06

黃俊（1984-），男，湖北武漢人，助理工程師，工學(xué)碩士，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：主要從事油氣田地面工程設(shè)計(jì)，E-mail：huangjun2_sw@cnpc.com.cn。