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成品油在大氣中擴(kuò)散的數(shù)值模擬分析

解寧 羅鑫楷梁永圖薛文第何國璽（中國石油大學(xué)（北京））

埋地成品油管道泄漏后，成品油如果滲出地面或聚集到地面低洼處，在成品油強(qiáng)揮發(fā)性下會迅速產(chǎn)生大量的油蒸汽，油蒸汽又會在風(fēng)速作用下快速向四周蔓延，無論發(fā)生燃燒還是爆炸都會給管道運(yùn)營企業(yè)、沿線居民帶來巨大的生命和財產(chǎn)損失。通過建立輸油管道泄漏擴(kuò)散過程的物理模型，利用COMSOL軟件進(jìn)行二維數(shù)值模擬，分析成品油在大氣中泄漏不同時間內(nèi)最大橫向擴(kuò)散寬度、最大縱向擴(kuò)散深度的變化規(guī)律，有助于分析事故后果影響范圍，提高事故的應(yīng)急控制能力。

成品油管道；泄漏；擴(kuò)散

1　概述

近年來，隨著我國成品油管道的建設(shè)與發(fā)展，面臨的安全形勢越來越嚴(yán)峻。管道在地面敷設(shè)時，管道泄漏后油品將揮發(fā)，當(dāng)泄漏量超過油品的閃蒸速度時，泄漏出來的油品會在一定區(qū)域內(nèi)蔓延成一個污染區(qū)［1］，容易造成火災(zāi)、爆炸等事故，給國民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)企業(yè)造成巨大的損失，并嚴(yán)重影響石油和天然氣生產(chǎn)企業(yè)的社會形象。因此，管輸事故條件下汽油泄漏擴(kuò)散的規(guī)律研究對于事故應(yīng)急搶險方案制定、工藝實(shí)施、安全性控制等具有重要意義［2］。

成品油蒸汽的擴(kuò)散是一個隨時間、空間變化的動態(tài)過程，符合大氣擴(kuò)散的基本規(guī)律。通過利用COMSOL軟件進(jìn)行模擬分析，研究成品油（汽油）及其蒸汽在大氣中的擴(kuò)散規(guī)律。做以下簡化：所有流體遵循連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，流體不可壓縮，且密度保持不變；滲流中考慮氣、液（油）兩相，且每一相的滲流均遵守達(dá)西定律；油品從泄漏孔噴出為自由射流。

用COMSOL軟件建立反映輸油管道實(shí)際尺寸的幾何模型，成品油管道的公稱直徑0.4 m，管內(nèi)壓力20 MPa、流速10 m/s，在管道下部取漏孔，建立輸油管道小孔泄漏擴(kuò)散的二維模型。

2　模型建立

COMSOL是一款大型的高級數(shù)值仿真軟件，以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真。COMSOL中定義模型非常靈活，材料屬性、源項(xiàng)、邊界條件等可以是常數(shù)、任意變量的函數(shù)、邏輯表達(dá)式、實(shí)測數(shù)據(jù)的差值函數(shù)等。在建立模型時

3　成品油在大氣中的擴(kuò)散規(guī)律

模型搭建后，分析在不同風(fēng)速、泄口噴出速度和泄漏口孔徑情況下，成品油及其蒸汽在大氣中的擴(kuò)散規(guī)律。

3.1風(fēng)速

在泄口流速為5 m/s的情況下，設(shè)置三種不同風(fēng)速，得到泄漏發(fā)生后0 s、0.4 s、1 s、3 s的擴(kuò)散半徑和最后穩(wěn)定噴射高度（圖1、圖2）。

圖1　不同風(fēng)速條件下泄漏發(fā)生t=0s、0.4s、1s、3s時的成品油擴(kuò)散半徑

圖2　不同風(fēng)速條件下泄漏發(fā)生t=0s、10s時的成品油最大擴(kuò)散高度

圖5　不同泄漏口孔徑條件下泄漏發(fā)生t=0.4s、1s、3s時的成品油擴(kuò)散半徑

從圖1、圖2可以看出，風(fēng)速對于最大噴出高度幾乎沒有影響；風(fēng)速對擴(kuò)散半徑有影響，風(fēng)速越大，擴(kuò)散半徑越大。通過SPSS軟件的數(shù)據(jù)分析功能對最大擴(kuò)散半徑進(jìn)行回歸分析。在擴(kuò)散時間相同的情況下，風(fēng)速越大，順風(fēng)方向的最大擴(kuò)散半徑越大，且最大擴(kuò)散半徑和風(fēng)速成二次關(guān)系。

3.2泄口油品噴出速度

在無風(fēng)條件下，設(shè)置3種噴出速度，得到泄漏發(fā)生后0.4 s、1 s、3 s的擴(kuò)散半徑和最后穩(wěn)定噴射高度（圖3、圖4）。

圖3　不同噴出速度條件下泄漏發(fā)生t=0.4s、1s、3s時的成品油擴(kuò)散半徑

圖4　不同噴出速度條件下泄漏發(fā)生t=0s、10s時的成品油最大擴(kuò)散高度

從圖3、圖4可以看出，泄口噴出速度對于最大噴出高度和最大擴(kuò)散半徑幾乎沒有影響。泄口噴出速度對于最大噴出高度沒有影響這一點(diǎn)與常識不符，大的噴出速度使油品具有更大的初速度，理論上可以達(dá)到更大的高度。但是涉及到的最大高度是成品油蒸汽擴(kuò)散可達(dá)到的最高高度，雖然在不同噴出速度條件下，成品油液體可以噴射達(dá)到不同的高度，但是成品油蒸汽能擴(kuò)散到的最大高度基本不變。

圖6　不同泄漏口孔徑條件下泄漏發(fā)生t=0s、10s時的成品油最大擴(kuò)散高度

3.3泄漏口孔徑

在無風(fēng)、噴出速度為5 m/s條件下，設(shè)置3種泄漏口孔徑，得到泄漏發(fā)生后0.4 s、1 s、3 s的擴(kuò)散半徑和最后穩(wěn)定噴射高度（圖5、圖6）。

從圖5、圖6可以看出，泄口孔徑對于最大噴出高度幾乎沒有影響，對最大擴(kuò)散半徑在較短噴射時間內(nèi)幾乎沒有影響，隨著時間的推移，泄漏口孔徑越大，最大擴(kuò)散半徑越大。

4　結(jié)論

成品油在大氣中的擴(kuò)散，風(fēng)速對于最大噴出高度幾乎沒有影響，對擴(kuò)散半徑有影響。通過模擬出下風(fēng)向的擴(kuò)散半徑，可以縮短泄漏后果評估的時間，提高事故后果評估精度。泄口噴出速度對于最大噴出高度和最大擴(kuò)散半徑幾乎沒有影響。泄口孔徑對于最大噴出高度幾乎沒有影響，對最大擴(kuò)散半徑在較短噴射時間內(nèi)幾乎沒有影響，隨著時間的推移，泄漏口孔徑越大，最大擴(kuò)散半徑越大。

［1］周曉瑩，焦光偉，陳思維.汽油輸送管道泄漏蒸發(fā)擴(kuò)散規(guī)律研究［J］.中國儲運(yùn)，2011，10（2）：122-124.

［2］鄭津洋.長輸管道安全風(fēng)險安全辨識、控制、評價［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：125-126.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.019

2016-06-21

（編輯沙力妮）

解寧，中國石油大學(xué)（北京），2014級在校學(xué)生，E-mail：pku123@yeah.net，地址：北京市昌平區(qū)中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)學(xué)院，102249。