張敬陽高級工程師 高永生 李 鑫 漆 琦

(1.云南中石油昆侖燃氣有限公司，云南 昆明 650000；2.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

0 引言

近年來隨著城鎮(zhèn)燃氣設施的建設與發(fā)展，天然氣居民用戶數(shù)量不斷增加。天然氣具有易燃性、易爆性等特點，當陽臺燃氣管道發(fā)生泄漏后，容易在建筑內(nèi)部形成可燃氣云，引起火災、爆炸等事故，從而導致環(huán)境污染、人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。因此研究住宅陽臺燃氣管道泄漏擴散規(guī)律是有意義的。

近年來，學者們對燃氣管道在不同條件下的泄漏擴散規(guī)律進行了研究。其中王曉華[2]采用CFD方法模擬了兩室一廳居室內(nèi)廚房燃氣泄漏后燃氣濃度分布云圖；許曉元等[3]通過模擬居室內(nèi)廚房燃氣泄漏得出了不同泄漏速度、泄漏點高度下的室內(nèi)可燃氣體體積變化規(guī)律；黃小美等[4]利用CFD軟件模擬在廚房門不同開度狀態(tài)下廚房內(nèi)天然氣濃度場及可燃區(qū)域分布；Aihua Liu等[5]通過CFD和實驗方法模擬得出不同建筑布局下燃氣泄漏擴散濃度分布規(guī)律；李德生等[6]對高架橋下燃氣泄漏擴散進行數(shù)值模擬，得到了有風和無風2種條件下的天然氣擴散規(guī)律。這些研究都沒有涉及陽臺燃氣管道泄漏擴散的內(nèi)容，本文利用CFD計算方法，在住宅建筑風場模擬的基礎上，對典型陽臺燃氣管道斷裂后燃氣擴散進行數(shù)值模擬，研究室內(nèi)不同開窗條件對可燃氣云分布及其體積分數(shù)的影響。

1 陽臺天然氣管道泄漏模型

1.1 數(shù)學模型

本文中天然氣在瞬時釋放后形成的氣云擴散運動過程，滿足一般流體力學基本方程組即N-S方程組。此外，本文天然氣云團擴散過程沒有熱量交換，其控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及組分輸運方程。標準的k-ε湍流模型在具有管道彎曲壁面的風場計算時會產(chǎn)生一定的失真，而Realizable k-ε模型在湍流粘度公式中引入曲率的相關變量，能有效的應用于彎曲壁面流動[7]。因此本文模擬時采用Realizable k-ε模型來描述燃氣的湍流流動。

1.2 物理模型

選取實際典型住宅建筑作為模擬對象，建筑物共計10層，層高為3m，每層包含4戶，為得出其風場分布，模擬設置的計算域尺寸為637.4m(長)×616.8m(寬)×180m(高)。本研究中燃氣管道泄漏點在第4層左側(cè)住宅的廚房陽臺上的燃氣立管上，其內(nèi)部布局，如圖1。模型天然氣管道內(nèi)徑為25mm，泄漏點附近管道壓力為2 600Pa，考慮最嚴重的立管斷裂泄漏，采用低壓燃氣管道定常流動基本方程計算得泄漏流速為26.29m/s，對應的質(zhì)量流量為9.26×103kg/s。假設泄漏過程中管道內(nèi)天然氣壓力保持不變。進行瞬態(tài)計算時風場風速為1m/s，其風向沿Y軸負方向。環(huán)境壓力為101 325Pa，溫度為298.15K。住宅室內(nèi)不同的開閉狀態(tài)組合出3種不同的工況，如圖2。其中工況1，生活陽臺窗、客廳陽臺窗與廚房門均開放；工況2，僅客廳陽臺窗關閉；工況3，僅廚房門關閉。

圖1 計算居室布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of room layout for calculation

圖2 計算居室內(nèi)門窗開閉工況示意圖Fig.2 Schematic diagram under the opening and closing conditions of doors and windows in the calculation living room

1.3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

進行計算時，其風入口采用速度入口邊界，出口采用自由出流邊界，燃氣泄漏口采用速度入口邊界，建筑物壁面選用壁面邊界條件。

采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分，其居室內(nèi)部空間網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖3。

圖3 居室網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Grid division of living room

2 陽臺天然氣管道泄漏模擬結(jié)果分析

2.1 風場穩(wěn)態(tài)模擬分析

進行風場穩(wěn)態(tài)計算時，設置風場風速為1m/s，其風向與風場風速來流方向平行，采用SIMPLEC模型進行壓力速度耦合求解，計算得到開窗工況1的室內(nèi)風場速度分布，如圖4，工況2的室內(nèi)風場速度分布，如圖5，開窗工況3的室內(nèi)風場速度分布，如圖6。

圖4 工況1室內(nèi)風場速度分布Fig.4 Velocity distribution of indoor wind field under condition 1

圖5 工況2室內(nèi)風場速度分布Fig.5 Velocity distribution of indoor wind field under condition 2

圖6 工況3室內(nèi)風場速度分布Fig.6 Velocity distribution of indoor wind field under condition 3

從圖4可以看出，工況1條件下在室內(nèi)形成風場通路，此時在室內(nèi)形成的部分區(qū)域風速與風場來流風向相反。從圖5、6可以看出，工況2、3條件下室內(nèi)形成風速均與風場風速來流方向相同。

2.2 可燃氣云分布分析

根據(jù)風場模擬結(jié)果，工況1室內(nèi)空氣紊動情況更加劇烈，在此選取開窗條件為工況1的模型，泄漏點距離第4層樓板2.30m，即距離地坪11.5m，朝向為垂直于地面向上。即陽臺窗與廚房門均開放的情況下，當北風風速為1m/s時的模擬結(jié)果進行分析。分析可燃氣云團的擴散范圍隨時間的分布情況。在模擬過程中天然氣濃度在爆炸下限以上的云團分布圖，如圖7。

圖7 工況1天然氣濃度大于爆炸下限的云團分布圖Fig.7 Cloud distribution of natural gas concentration greater than the lower explosion limit under condition 1

圖7為燃氣泄漏后不同時刻30、210、420、900s時的甲烷濃度分布圖，圖中云團的表面是甲烷體積分數(shù)為0.05的等濃度面，其云團內(nèi)部甲烷體積分數(shù)均在0.05以上，由于濃度低于0.05的云團對爆炸效應影響不大，在此不作考慮。

從圖7中可以看出，當天然氣管道泄漏后，由于管道內(nèi)部的壓力，天然氣會以一定的初速度向上方噴出，氣流運動到陽臺頂部并向四周擴散。泄漏發(fā)生30s后，氣體射流到達陽臺頂部，并沿著陽臺向外擴散；泄漏發(fā)生210s后，燃氣經(jīng)過擴散后，天然氣通過陽臺窗上方已經(jīng)擴散到廚房內(nèi)，此時陽臺頂部的爆炸危險最大；泄漏發(fā)生420s后，由XY頂部俯視圖可以看出，擴散至廚房內(nèi)的處于爆炸極限以上的氣云呈現(xiàn)出一個偏角，這是天然氣向X軸負方向流動的初速度和風場風速疊加后產(chǎn)生的效果；泄漏發(fā)生900s后，仍有一部分燃氣貼附陽臺頂面向外擴散(貼壁效應)，而擴散至廚房內(nèi)部的燃氣也是沿著廚房頂部不斷向里擴散，受北風風速的影響，原本向X軸負方向擴散的云團，擴散至廚房內(nèi)部之后其速度方向與Y軸呈一定傾角，因此濃度大于爆炸下限的云團呈一個斜角的形狀向建筑內(nèi)部擴散，此時陽臺頂部以及廚房外側(cè)均為危險區(qū)域。900s后處于爆炸濃度范圍的氣云依然集中在建筑頂部，但經(jīng)過一定時間后，如果此時廚房靠窗附近存在用氣設備或者生活陽臺頂部的電燈、陽臺電器等用電設備，形成點火源之后就很可能會發(fā)生爆炸，產(chǎn)生嚴重的后果。

研究不同的開窗條件對天然氣擴散的影響，泄漏發(fā)生900s后工況1(生活陽臺窗、客廳陽臺窗與廚房門均開放)、工況2(僅客廳陽臺窗關閉)和工況3(僅廚房門關閉)的可燃氣云分布，如圖8。

圖8 3種開窗工況下泄漏900s后天然氣濃度大于爆炸下限的云團分布圖Fig.8 Cloud distribution of natural gas concentration greater than lower explosion limit after 900s leakage under three kinds of window opening conditions

由圖8可知，在工況1條件下，陽臺頂部的可燃氣云覆蓋了陽臺頂面積的1/2，但在陽臺窗的另一側(cè)沒有可燃氣云，同時廚房內(nèi)形成了呈斜角狀的可燃氣云；在工況3條件下，900s后其氣云分布以及擴散趨勢和工況2相似，但可以看出工況3廚房內(nèi)的可燃氣云分布范圍比工況2的稍廣，此時生活陽臺靠建筑內(nèi)側(cè)的頂部為危險區(qū)域。

3種開窗工況下形成的可燃云團體積(甲烷體積分數(shù)在0.05～ 0.15之間)隨時間變化曲線，如圖9。

圖9 3種開窗工況形成可燃云團體積隨時間變化曲線Fig.9 Time curve of flammable cloud volume formed under three kinds of window opening conditions

由圖9可知，工況1形成的可燃氣云體積在模擬時間范圍內(nèi)遠小于其它2個工況，其數(shù)值是呈不斷上升的趨勢；工況2和工況3在400s之前可燃氣云體積幾乎相同，400s之后工況3的可燃氣云體積稍大于工況2，并且2者的數(shù)值都是先迅速上升，再趨于平穩(wěn)，但在局部時間段內(nèi)，可燃氣云體積存在先降低再上升的趨勢，是由于在距泄漏源較遠的位置，風速使得泄漏燃氣迅速擴散，而泄漏源附近新形成的可燃氣云體積相比剛擴散至爆炸下限以下的氣云體積更小，導致總的可燃氣云體積在某些時間段內(nèi)降低。

總的來看，在工況1條件下，由于陽臺門窗以及廚房窗戶均為開敞狀態(tài)，風場模擬時形成通路，從而相對其它2個工況來說，在陽臺窗附近的風速更大，廚房內(nèi)氣流紊動程度更劇烈，加快了泄漏燃氣的擴散速度，所以總體形成的可燃氣體云團集中范圍更小，體積也更小。而不論開窗條件如何，泄漏后短時間內(nèi)危險區(qū)域主要在生活陽臺頂部以及相鄰廚房內(nèi)外側(cè)頂部區(qū)域，附近用電設備可能成為引燃可燃云團的點火源。

3 結(jié)論

本文研究過程中首先對住宅建筑風場進行穩(wěn)態(tài)模擬，在此基礎上進行陽臺天然氣管道泄漏擴散模擬，得出以下結(jié)論：

(1)建筑位于陽臺內(nèi)部的天然氣立管發(fā)生斷裂后，短時間內(nèi)其危險區(qū)域主要是陽臺和與之相鄰房間外側(cè)的頂部，此時在陽臺的洗衣機等用電設備以及在廚房內(nèi)燃氣用具產(chǎn)生點火源，將造成燃燒或爆炸的安全隱患。

(2)本文不同的開窗工況對氣云擴散的影響取決于是否在建筑內(nèi)形成風場通路。形成建筑內(nèi)風場通路時，在泄漏燃氣管道附近形成的風場風速更大，由此形成的可燃氣云聚集范圍更小；沒有形成建筑風場通路時，燃氣管道附近形成的風場風速較小，可燃氣云聚集范圍更大。

(3)本文只對泄漏后短時間內(nèi)燃氣擴散現(xiàn)象進行模擬研究，對于長時間未被發(fā)現(xiàn)的建筑燃氣管道泄漏，其在建筑內(nèi)部形成的危險區(qū)域可能會更大，更易產(chǎn)生爆炸事故。因此需要提升居民用氣安全意識，使得天然氣泄漏更容易被發(fā)現(xiàn)，有效杜絕燃燒或爆炸事故的發(fā)生。