隧道內埋地燃氣管道泄漏數值模擬研究

＊龔思璠 王慶云 郭逸文 王鵬飛

（1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院 湖南 410117 2.湖南科技大學資源環境與安全工程學院 湖南 411201 3.湖南科技大學南方煤礦瓦斯與頂板災害治理安全生產實驗室 湖南 411201）

伴隨我國日益增加的天然氣需求量，天然氣管網系統蓬勃發展，隨之而來的是一系列的問題，其中較為突出的是由于天然氣的易燃易爆性帶來的爆炸事故[1]。通過燃氣管網系統可以實現燃氣的長距離輸送，在穿越復雜地形往往不易鋪設管網，因此在隧道內埋設燃氣管道成為了首選方案。

目前國內外學者主要通過試驗研究、擴散理論模型和計算流體力學數值模擬等方法研究燃氣管道泄漏擴散過程，如Hideki Okamoto等[2]、謝昱姝等[3]通過全尺寸氣體泄漏實驗闡明了埋地管道泄漏氣體擴散行為。在泄漏擴散理論模型研究方面，已經形成多種氣體擴散理論模型，如高斯模型[4]、Sutton模型[5]、BM模型[6]等。

眾多學者利用計算流體力學數值模擬軟件模擬燃氣管道泄漏擴散，如Hao Fu等[7]利用試驗研究與數值模擬結果進行對比建立了預測油氣管道泄漏模型；沈廣彬等[8]研究城市埋地天然氣泄漏三維數值模擬，考慮風場對泄漏的影響；桑潤瑞[9]針對硬化路面下中壓天然氣管道小孔泄露擴散過程進行了理論分析和數值模擬；梁杰[10]基于自行搭建的實驗環道，研究不同影響因素下泄漏點處的壓力變化規律，得到天然氣發生小孔泄漏時不同影響因素下的擴散高度和擴散距離；程猛猛[11]、展宗紅[12]、劉敏鴻[13]、常歡等[14]、羅宗林[15]等針對城市埋地天然氣管道泄漏進行模擬和分析得到天然氣泄漏擴散特征；馬梅等[16]利用理論分析和數值模擬相結合的方法，對燃氣管道發生泄漏后在土壤和空氣區域的連續擴散情況進行了研究。

目前，國內外學者的研究主要是針對埋地燃氣管道泄漏擴散過程，對于隧道內埋地燃氣管道泄漏在土壤和隧道空間內的泄漏擴散研究較少。而地下埋設有燃氣管道的隧道會受到管道腐蝕、自然因素、人為破壞、車輛運行等因素的影響，發生管道泄漏事故，易嚴重影響隧道安全運行，易造成重大安全事故。綜上所述，本文建立接近真實現場的隧道內埋地燃氣管道物理模型，基于Fluent數值模擬軟件，模擬燃氣管道發生泄漏后在土壤和隧道區域內燃氣濃度隨時間的變化規律，研究管道壓力、泄漏孔尺寸、隧道風速等因素對隧道內埋地燃氣管道泄漏擴散的影響，對隧道內埋地燃氣管道安全管理、預防和控制隧道內燃氣火災、爆炸事故有十分重要的研究價值。

1.模型建立

(1)物理模型

①幾何模型

隧道內埋地燃氣管道幾何模型和網格劃分，如圖1所示，該模型由天然氣管道、土壤部分及隧道部分組成，模擬取100m長隧道作為研究對象，埋地天然氣管道直徑為1200mm，管道埋地深度為1900mm，泄漏孔位于管道中間，泄漏孔尺寸為20mm，泄漏孔方向朝上。采用mesh軟件對模型進行網格劃分，網格類型為非結構化網格，為提高網格計算精度，對泄漏孔區域網格進行局部加密，網格質量為0.84，所劃分網格基本滿足模擬需要。

圖1 幾何模型和網格劃分

②邊界條件

假設模型中所有壁面均為絕熱壁面。土壤部分設置為多孔介質區域，均質且各向同性，孔隙率為0.45，密度為2650kg/m3，導熱系數為1.8W/（m·k），比熱為840J/（kg·k）。天然氣組分以甲烷（CH4）為主，其中還包含少量的其他氣體，因此主要以甲烷為研究對象進行模擬計算[17]。

土壤部分泄漏孔入口類型為壓力入口，壓力大小為4MPa，入口處物質組分設置甲烷氣體，甲烷含量100%，隧道部分左右出口設置為壓力出口。燃氣管道泄漏前，對模型進行初始化設置，土壤部分及隧道部分內流體均為空氣，對土壤部分及隧道部分局部初始化設置，甲烷含量為0。

(2)數學模型

天然氣輸送以埋地管道傳輸為主，由于土壤顆粒間有發達的孔隙結構，數值模擬過程中將土壤部分視為多孔介質區域。假設在天然氣泄漏擴散過程中土壤的空間結構不會改變，泄漏的天然氣不會與周圍土壤發生化學反應，并忽略氣體與土壤之間的傳熱，只發生傳質過程。

綜上所述，隧道內埋地燃氣管道泄漏擴散主要遵循質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律。

質量守恒方程可表示為：

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；ux、uy、uz為x、y、z方向的速度分量，m/s。

能量守恒方程可表述為[18]：

式中：E為流體微團的總能，J/kg；hj為組分j的焓，J/kg；keff為有效熱傳導系數，W/（m·K）；Jj為組分j的擴散通量，kg/（m2·s）；Sh為化學反應熱以及自定義的體積熱，J。

動量守恒方程可用式（3）描述[19]：

式中：j代表x、y、z，如j為x，uj表示x方向上的分速度，m/s；p為靜壓力，Pa；uj'為脈動速度，m/s；上標“—”表示對時間的平均值；SF為動量守恒方程的源項。

(3)擴散模型

泄漏的天然氣在土壤孔隙中的流動為湍流流動，本文選用RNGk-ε模型進行求解，天然氣在土壤中的流動屬于中等復雜流動，RNGk-ε模型基于標準k-ε模型，完善了標準k-ε模型對一些個別復雜流動模擬不精確的不足，適用于一般模擬復雜度適中的流動現象，可有效預測天然氣在土壤中的流動[20]。

2.數值模擬及結果分析

(1)泄漏天然氣擴散特點分析

圖2（a）、（b）、（c）分別為管道發生泄漏后20min、40min和60min泄漏孔處甲烷質量分數云圖，圖2（d）為管道發生泄漏后60min甲烷質量分數體積渲染圖。

圖2 天然氣泄漏模擬結果

如圖2所示，埋地管道中甲烷發生泄漏后，甲烷由管道經泄漏孔流至土壤中，泄漏孔附近土壤中甲烷濃度呈紅色，表明泄漏孔附近甲烷濃度最高，泄漏孔附近甲烷質量分數增高，甲烷呈球狀向周圍擴散，擴散范圍隨著時間的增加逐漸增大。

甲烷離開土壤區域后進入隧道空氣區域，隧道區域沒有土壤區域的阻力，泄漏的甲烷在隧道空氣區域中快速擴散，由于甲烷的密度小于空氣，甲烷容易在隧道頂部積聚，最終達到相對穩定狀態。

(2)影響因素分析

①管道入口壓力的影響

本文選擇了入口壓力為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa五種不同管道入口壓力進行模擬，為控制單一變量，統一設置其他邊界條件：天然氣管道直徑為200mm，泄漏孔直徑為20mm，管道埋地深度為1900mm，隧道風速為0m/s。圖3為泄漏60min時不同管道入口壓力甲烷質量分數云圖。

圖3 不同壓力下甲烷質量分數云圖

如圖3所示，同一時間內，隨著管道入口壓力的增大，泄漏孔附近甲烷濃度增加，擴散范圍增大，泄漏危險區域增大。因為泄漏孔附近甲烷擴散動力主要是靠壓力差，隨著時間的增加，甲烷擴散至遠離泄漏孔處，壓力差影響減小，此時以濃度差作為擴散驅動力，前期泄漏壓力越大，擴散范圍就越遠。

②泄漏孔尺寸的影響

本文選擇了20mm、30mm、40mm三種不同的泄漏孔尺寸進行模擬，為控制單一變量，統一設置其他邊界條件。圖4為泄漏60min時不同泄漏孔尺寸甲烷質量分數云圖。

圖4 不同泄漏孔尺寸甲烷質量分數云圖

如圖4所示，同一時間內，隨著泄漏孔尺寸的增加，泄漏孔附近甲烷濃度增大，甲烷擴散范圍增加，泄漏至隧道空氣區域甲烷增多，泄漏危險區域增大。

③隧道風速影響

本文選擇了0m/s、1m/s、2m/s、3m/s、4m/s五種不同的隧道風速進行模擬，為控制單一變量，統一設置其他邊界條件。圖5為泄漏60min時不同隧道風速下甲烷質量分數體積渲染圖，如圖所示，當隧道風速為0m/s時，泄漏的甲烷一部分積聚在土壤中，另一部分擴散至隧道空氣區域并從隧道兩端出口排出。隧道一側設有風速時，泄漏的甲烷跟隨風流流至隧道另一出口，隨著左側隧道風速的增加，隧道內甲烷被風吹向右側出口，泄漏孔附近甲烷呈非球狀向周圍土壤和隧道空間區域擴散，左側風速越大，泄漏孔向左側擴散甲烷越少。

圖5 不同隧道風速甲烷質量分數云圖

3.結論

（1）由模擬結果可知，隧道內埋地燃氣管道發生泄漏后，甲烷呈球狀向土壤周圍擴散，泄漏孔附近甲烷濃度最高，離泄漏孔越遠，甲烷擴散速度越慢，離開土壤后在隧道空氣區域快速擴散并在隧道頂部積聚，最終達到相對穩定狀態。

（2）統一其他邊界條件時，管道入口壓力、泄漏孔尺寸越大，泄漏孔附近甲烷濃度越高，甲烷泄漏量越大，進入隧道空氣區域甲烷質量分數越高，甲烷擴散范圍越廣，泄漏危險區域越大。

（3）隧道一側設有風速時，泄漏的甲烷跟隨風流流至隧道另一出口，泄漏孔附近甲烷呈非球狀向周圍土壤和隧道空間區域擴散；隧道內風速越大，風速入口方向上泄漏擴散的甲烷越少，被風吹至另一側甲烷越多。