趙峰

摘要：筑群外埋地燃?xì)夤艿来嬖谥欢ǖ男孤╋L(fēng)險(xiǎn)，可以使用Gambit2.4建立三維模型，使用CFD軟件Fluent14.0對(duì)不同溫度和濕度下的燃?xì)膺B續(xù)泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行了模擬，并對(duì)比了不同溫度和濕度下的燃?xì)鈹U(kuò)散的影響、濃度和規(guī)律。結(jié)果顯示，泄漏出的燃?xì)鈺?huì)在土壤中快速擴(kuò)散，使地表上方的濃度值達(dá)到了爆炸下限和上限。透出地表的燃?xì)庠诮ㄖ镏g由迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)形成兩個(gè)不同濃度的擴(kuò)散區(qū)。而且建筑物表面的預(yù)警濃度的高度也會(huì)受溫度和濕度的影響。根據(jù)這些結(jié)果可以評(píng)估建筑群外賣(mài)地燃?xì)夤艿佬孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)，以此為依據(jù)對(duì)群眾進(jìn)行疏散。

關(guān)鍵詞：筑群；燃?xì)夤艿?；泄漏；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

燃?xì)馐蔷用裰匾纳a(chǎn)和生活能源。管道是燃?xì)獾倪\(yùn)輸工具，一般深埋于人口密集的建筑群下。受多種外界因素的影響，燃?xì)夤艿罆?huì)發(fā)生泄漏事故，不僅會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)C(jī)群眾的生命。因此，要嚴(yán)密檢測(cè)燃?xì)庑孤┑臐舛?，掌握其擴(kuò)散的規(guī)律及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施。國(guó)外有關(guān)燃?xì)庑孤U(kuò)散的研究以數(shù)值模擬為主，例如Steven R建立了CFD模型，進(jìn)行了仿真模擬。研究表明，燃?xì)鈺?huì)在泄漏口形成氣體云，而且會(huì)在風(fēng)速的影響下發(fā)生水平方向上的擴(kuò)散，而且受地形和建筑物的影響，燃?xì)獾臐舛葧?huì)升高。張甫仁對(duì)地表外部天然氣的連續(xù)泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，隨不同溫度和濕度作用下的濃度分布進(jìn)行了探究，結(jié)果表明濕度的增加會(huì)抑制濃度的擴(kuò)散。

當(dāng)前的多數(shù)研究集中于泄漏口在大氣中的情況，但忽視了溫度、濕度和土壤對(duì)擴(kuò)散的影響，對(duì)發(fā)生泄漏時(shí)的實(shí)際情況沒(méi)有做出真正地表現(xiàn)。本文對(duì)埋地管道泄漏的各種影響因素進(jìn)行了考慮，建立了物理模型，使燃?xì)夤艿佬孤┑挠绊懸蛩馗淤N近實(shí)際，期望能夠?yàn)槿細(xì)夤艿赖男孤┦鹿实呐挪?、突發(fā)事件的應(yīng)急等提供理論依據(jù)。

一、物理模型的建立

1.物理模型的假設(shè)

燃?xì)夤艿赖男孤┹^為復(fù)雜，本研究對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，進(jìn)行了一些假設(shè)：燃?xì)夤艿佬孤閱慰仔孤?，為小孔模型；連續(xù)泄漏，保持速率不變；燃?xì)庠诳諝庵泻推渌麣怏w成分不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；空氣中的水蒸氣與燃?xì)獾膭?dòng)量交換忽略不計(jì)。

2.物理模型的建立

本研究建立了包含建筑群的埋地燃?xì)夤艿赖目臻g模型，實(shí)際空間尺寸為30X30X30m的立方體區(qū)域，內(nèi)部有8棟樓房，其中六棟的此存都為6x3x16.8m，中間兩棟為8x4x14m。泄漏口在邊側(cè)建筑和中間，與建筑物外延的水平距離為3m，泄漏口距地面1.3m。

3.有關(guān)參數(shù)設(shè)置

管道中的燃?xì)庵饕杉淄椤⒈楹投⊥榈冉M成，本研究以甲烷作為燃?xì)獾闹饕煞诌M(jìn)行研究，設(shè)其體積分?jǐn)?shù)為98.6%，管道為A類輸氣管道，運(yùn)輸壓力為0.25MPa，溫度為20℃。甲烷的爆炸限為5%～15%，預(yù)警的下限為1%，本研究設(shè)定三個(gè)臨界值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4.邊界條件設(shè)置

經(jīng)計(jì)算，管道孔直徑為50.8mm，泄漏速率為368.65m/s。設(shè)左避面是風(fēng)速入口，《蒲福氏風(fēng)級(jí)表》顯示距地面高度為10m的風(fēng)度為3m/s，隨高度的升高，風(fēng)速也會(huì)發(fā)生變化，大氣壓力也會(huì)發(fā)生變化。土壤層四周為壓力出口，其密度為1530kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.51w/（m，k），土壤平均顆粒的直徑為0.5mm。建筑群和土壤層下表面都應(yīng)考慮在內(nèi)，在非一般泄漏中，時(shí)間步長(zhǎng)為1s，為了提高研究的準(zhǔn)確性，將各參數(shù)的精度精確到0.001.

二、計(jì)算和結(jié)果

1.燃?xì)庠谕寥缹又械臄U(kuò)散

地下燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后，在土壤的阻礙下，氣體的動(dòng)能會(huì)受到較大的損失，不能夠沖破泄漏口上方的土壤。因此，燃?xì)鈺?huì)在土壤層中擴(kuò)散，在逐漸上升到地面后才會(huì)向空氣擴(kuò)散，土壤層中燃?xì)獗ㄏ孪逓?%，上限為15%，通過(guò)對(duì)比泄漏時(shí)間來(lái)對(duì)比燃?xì)庠谕寥缹拥臄U(kuò)散情況，以泄漏10s、20s、30s和60s為例，我們能夠發(fā)現(xiàn)，隨著泄漏時(shí)間得到持續(xù)增加，燃?xì)獾脑谕寥缹又械臄U(kuò)散范圍會(huì)逐漸擴(kuò)大，其可能危險(xiǎn)區(qū)域也在逐漸增加。當(dāng)泄漏時(shí)間為10s時(shí)，泄漏口上方地表的燃?xì)鉂舛纫呀?jīng)達(dá)到了5%，但還距15%還有一定的差距。與此同時(shí)，燃?xì)鈺?huì)在建筑物下方發(fā)生環(huán)繞，濃度逐漸升高。當(dāng)泄漏時(shí)間為20s時(shí)，地表燃?xì)鉂舛冗_(dá)到了15%，有的甚至超過(guò)了15%，但此時(shí)建筑物下方土壤層中的燃?xì)鉂舛戎饾u降低，達(dá)到爆炸下限的區(qū)域也逐漸縮小。從30s到60s，泄漏口處附近的危險(xiǎn)區(qū)域逐漸增大，地表燃?xì)鉂舛纫搽S時(shí)間的延續(xù)而提高。

2.燃?xì)庠诖髿庵械臄U(kuò)散

透過(guò)地面后的燃?xì)馐茱L(fēng)力的影響會(huì)進(jìn)入大氣中開(kāi)始擴(kuò)散，其濃度會(huì)比土壤層中的燃?xì)鉂舛却鬄榻档停涿芏刃∮诳諝獾拿芏?，而且?huì)受溫度和濕度的影響，擴(kuò)散后的濃度也會(huì)不同。因此，可選取1%作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的臨界值，選取夏季潮濕環(huán)境和秋季干燥環(huán)境兩種情況，在發(fā)生泄漏的120s后開(kāi)展檢測(cè)，研究建筑群表面燃?xì)鉂舛鹊拇笮　?/p>

在夏季潮濕環(huán)境中，距離泄漏口較近的建筑物的燃?xì)鉂舛葧?huì)隨著泄漏時(shí)間的持續(xù)，燃?xì)鉂舛葧?huì)隨著高度的升高發(fā)生明顯的變化。對(duì)其他建筑物而言，也有一定的變化，但距泄漏口較遠(yuǎn)，預(yù)警濃度的高度為0.9m，而且在50s后會(huì)被吹散。對(duì)于泄漏口處建筑物的背風(fēng)側(cè)，浮生力是提高預(yù)警濃度的主要?jiǎng)恿?。在泄?0s內(nèi)燃?xì)鈺?huì)向高空擴(kuò)散，在到達(dá)12.6m后變化逐漸穩(wěn)定。距泄漏口較遠(yuǎn)的建筑受風(fēng)力的持續(xù)影響，尚未達(dá)到預(yù)警濃度值。在迎風(fēng)側(cè)的建筑表面的預(yù)警濃度也會(huì)在20s內(nèi)迅速上升，在風(fēng)力和浮力的聯(lián)合作用下，預(yù)警濃度的高度為3.5m。

在秋季干燥的環(huán)境中，隨著時(shí)間的推進(jìn)，燃?xì)獾念A(yù)警濃度也會(huì)發(fā)生一定的變化，但距泄漏口距離的不同，數(shù)值也會(huì)發(fā)生一定的變化。對(duì)背風(fēng)側(cè)的建筑來(lái)說(shuō)，在40s內(nèi)受浮力作用的影響，燃?xì)鉂舛戎饾u升高，在6.8m后逐漸穩(wěn)定，但有建筑會(huì)在風(fēng)力的持續(xù)作用下，不會(huì)達(dá)到預(yù)警值。迎風(fēng)側(cè)的建筑在180s內(nèi)的預(yù)警濃度會(huì)保持在3s左右。有的建筑雖然在迎風(fēng)側(cè)，但距泄漏口較遠(yuǎn)，隨著泄漏時(shí)間的推進(jìn)，其表面的預(yù)警濃度會(huì)在5m后小時(shí)。

對(duì)比兩個(gè)季節(jié)環(huán)境的不同，我們發(fā)現(xiàn)，濕度降低30%后，距泄漏口較近的建筑預(yù)警濃度的高度下降了6m左右。處在背風(fēng)側(cè)的建筑燃?xì)鉂舛纫堰_(dá)不到預(yù)警值。迎風(fēng)側(cè)的建筑在達(dá)到預(yù)警濃度所的穩(wěn)定高度需要很短的時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，濕度的增加，燃?xì)獾恼扯纫矔?huì)增加，而且其粘度不容易被稀釋。另外，濕度也會(huì)降低擴(kuò)散速率，容易發(fā)生累計(jì)，進(jìn)而危險(xiǎn)性也隨之提高。隨著濕度的降低，燃?xì)獾恼扯纫步档停茱L(fēng)速的影響，集聚在建筑物表面的燃?xì)獗伙L(fēng)吹散，燃?xì)庋杆贁U(kuò)散，危險(xiǎn)性較小。當(dāng)溫度升高后，燃?xì)夥肿舆\(yùn)動(dòng)加劇，氣體擴(kuò)散速度加快，同時(shí)也提高了熱浮生力的作用。

結(jié)語(yǔ)

本文使用了CFD軟件分析了溫度、濕度對(duì)燃?xì)庠谕寥篮痛髿庵行孤┣闆r進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果如下：

第一，外埋地燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后燃?xì)馐紫仍谕寥缹又袛U(kuò)散，并在附近的建筑物的地基處繞流形成高濃度區(qū)域，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到爆炸下限。隨著泄漏時(shí)間的推進(jìn)，燃?xì)庵饾u停止繞流，濃度下降，在泄漏口上方至地表的濃度呈階梯狀，會(huì)在地表上方的中心區(qū)域形成爆炸上限。

第二，燃?xì)膺M(jìn)入地表后，在浮力的作用下會(huì)向高空擴(kuò)散，風(fēng)速會(huì)稀釋燃?xì)?。隨著時(shí)間的推移，泄漏口上方地表出的燃?xì)鈺?huì)被吹散，向四周的建筑群擴(kuò)散，當(dāng)遇到兩側(cè)的建筑物時(shí)，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的濃度也會(huì)不同，迎風(fēng)側(cè)的濃度低，背風(fēng)側(cè)的濃度高。

第三，燃?xì)庠诳諝庵械挠绊懸蛩刂饕囟群蜐穸?。濕度的升高?huì)使燃?xì)獾臐舛忍岣撸焕谄鋽U(kuò)散，容易發(fā)生集聚。溫度的降低會(huì)使粘度也降低，風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散得到影響明顯，集聚在建筑表面的燃?xì)鈺?huì)被風(fēng)吹散。隨著溫度的升高，燃?xì)獾姆肿舆\(yùn)動(dòng)加劇，熱浮生力也隨之提高。

以上結(jié)論期望能夠?qū)ㄖ和饴竦厝細(xì)夤艿佬孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估提供一定的參考，有效做好風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)工作，保障人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

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