蔣波沱 邢曉龍 賈彥強(qiáng) 張 旭

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136）

0 引言

天然氣作為一種清潔優(yōu)質(zhì)的能源，在我國(guó)大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的過(guò)程中獲得了前所未有的發(fā)展。由于我國(guó)的天然氣資源產(chǎn)地遠(yuǎn)離天然氣需求中心，而且從總體上來(lái)說(shuō)，我國(guó)并不具備足夠豐富的天然氣資源，而是通過(guò)運(yùn)輸將國(guó)內(nèi)外的天然氣資源運(yùn)送至天然氣消費(fèi)城市，因此天然氣的運(yùn)輸十分重要。又由于運(yùn)輸管道距離長(zhǎng)，運(yùn)輸天然氣量大，因此管道泄漏事故頻發(fā)，為預(yù)防此類事故發(fā)生進(jìn)而造成重大損失，人們對(duì)天然氣管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程研究就顯得尤為重要。本文綜述了人們對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散的模型研究，闡述了目前天然氣泄漏模型、擴(kuò)散模型的適用范圍及進(jìn)展，為今后的研究提供了參考資料。

1 泄漏模型

目前，常用的氣體泄漏模型主要有Levenspie[1]、Crowl[2]孔隙模型及管道模型。 其中孔隙模型又分為小孔模型和大孔模型，其適用范圍分別為泄漏孔與管道直徑比d/D≤0.2 和直徑比為0.2

2 擴(kuò)散模型

表1 天然氣擴(kuò)散經(jīng)典模型的比較

與氣體泄漏模型相比， 氣體的擴(kuò)散模型有許多經(jīng)典的計(jì)算模型，如高斯模型、BM 模型、Sutton 模型、FEM3 模型等，但其均各自限制，表1 羅列了幾種氣體擴(kuò)散的經(jīng)典模型[7]。

隨著人們對(duì)氣體擴(kuò)散過(guò)程的深入了解，人們又提出許多新的氣體擴(kuò)散計(jì)算模型。 如美國(guó)空軍開(kāi)發(fā)的AFTOX 模型[8]，即危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散模型，此模型是一種多煙團(tuán)疊加模型，適用于模擬點(diǎn)源以及區(qū)域氣體擴(kuò)散過(guò)程，不適用于模擬重氣擴(kuò)散；HEGADAS 模型[9]，適用于重氣連續(xù)源泄露，尤其適用于液化天然氣管道的泄漏擴(kuò)散；還有適用于中氣和重氣擴(kuò)散模擬及點(diǎn)源及區(qū)域氣體擴(kuò)散過(guò)程的DEGADIS 模型[10]；由美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)的只適用于中性氣體擴(kuò)散的INPUFF 模型等[11]。

近幾年，人們?cè)趶氖乱兹家妆⒂卸練怏w擴(kuò)散領(lǐng)域也取得了一些成果。 如潘旭海等[12]在箱模型基礎(chǔ)上建立了LTA-HGDM 模型，該模型具有形式簡(jiǎn)單、模擬精度較好、運(yùn)算快捷等優(yōu)點(diǎn)。 肖建明等[13]提出了一種計(jì)算高斯模型擴(kuò)散面積的算法，該算法解決了易燃易爆和有毒氣體在中毒或爆炸下限危害濃度范圍內(nèi)的面積計(jì)算問(wèn)題，可以大大縮短災(zāi)害后果評(píng)估時(shí)間、提高災(zāi)害后果評(píng)估精度，對(duì)預(yù)防、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失產(chǎn)生了積極影響。 王樹(shù)乾等[14]利用Fluent 的物質(zhì)傳輸模型和湍流模型模擬了不同壓力對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散的影響，為天然氣泄漏擴(kuò)散事故預(yù)防處理提供了理論參考。 李又綠等[15]建立適合天然氣管道泄漏特點(diǎn)的擴(kuò)散模型，主要考慮泄漏擴(kuò)散過(guò)程中的射流作用、膨脹效應(yīng)、重力作用、水平風(fēng)速等，其所建立的模型更加符合天然氣管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程的實(shí)際情況，并通過(guò)算例討論闡述不同外界條件對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散的影響，對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散的模型研究具有指導(dǎo)意義。

3 泄漏擴(kuò)散結(jié)合的模型

近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)表明，越來(lái)越多的擴(kuò)散模型中包括了初始泄漏速率的計(jì)算模擬，所以也有一些學(xué)者開(kāi)始嘗試將泄漏模型和擴(kuò)散模型有效地整合在一起。 向啟貴[16]通過(guò)對(duì)天然氣管道破裂后介質(zhì)的釋放特點(diǎn)及其規(guī)律進(jìn)行分析，篩選了擴(kuò)散參數(shù)及模式，得到天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型，采用該模型計(jì)算硫化氫擴(kuò)散距離，可以為安全有效地實(shí)施安全生產(chǎn)及制定安全應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)。 劉墨山[17]利用UDM 模型對(duì)不同的釋放源在極端條件下的天然氣管道事故進(jìn)行了模擬計(jì)算，為安全預(yù)評(píng)價(jià)和現(xiàn)狀評(píng)價(jià)提供了手段和方法。徐博等[18]使用Matlab 計(jì)算管道泄漏引起蒸氣云爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)曲線，計(jì)算結(jié)果為天然氣新管線的規(guī)劃、建設(shè)及現(xiàn)有管線的調(diào)整提供了決策依據(jù)。 孟志鵬等[19]提出一種基于湍流模型的可用于可爆性氣體泄漏擴(kuò)散的三維數(shù)值模擬方法，雖然只適用于中性氣體的擴(kuò)散，但也為評(píng)估泄漏事故的危害提供了一定的依據(jù)。 桑博[20]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，選用Realizable kepsilon 模型對(duì)天然氣在空氣中擴(kuò)散的過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，并分析泄漏孔直徑、風(fēng)速、泄漏初速度、泄漏孔形狀對(duì)泄漏過(guò)程影響的強(qiáng)弱程度，對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散的研究進(jìn)展有重要意義。 侯慶民[21]對(duì)天然氣管道發(fā)生泄漏后的擴(kuò)散情況進(jìn)行了方法研究和規(guī)律分析，其模擬研究結(jié)果和泄漏擴(kuò)散理論相符，為天然氣泄漏擴(kuò)散提供了一種分析思路。

4 總結(jié)

本文分析和總結(jié)了天然氣泄漏擴(kuò)散模型的最新研究進(jìn)展。從中我們可以看出，目前并沒(méi)有模型能夠天然氣泄漏、擴(kuò)散和爆炸三個(gè)過(guò)程進(jìn)行綜合描述，特別是對(duì)于擴(kuò)散過(guò)程和爆炸過(guò)程，沒(méi)有模型將二者統(tǒng)一聯(lián)系起來(lái)。 因此，這方面的研究仍需人們進(jìn)一步深入探索。

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［20］桑博.長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模擬[D].北京交通大學(xué)，2011.

［21］侯慶民.天然氣管道泄漏與天然氣在空氣中擴(kuò)散的模擬研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.