复杂地表形态下天然气泄漏扩散的三维数值模拟研究

天然气在集输过程中,由于管道系统连接件之间的密封不严、腐蚀穿孔、人为管理不善等因素引起的天然气泄漏和爆炸事故在国内外屡见不鲜。通过计算模拟分析天然气管道的泄漏扩散过程,并预测泄漏天然气的扩散范围,可以最大程度的减小由于扩散、火灾、爆炸引起的连锁反应所造成的人员和经济损失,从而对预防与控制此类事故,保证管道输送安全运营、保障人身财产安全具有重大的意义和科研价值。但是,天然气管线沿途经过的地表形态复杂多样,如,平原、山地、村庄和城市等。因此,处理各种复杂地表形态下的天然气泄漏扩散情况成为迫切需要。通过分析总结天然气的特性,和影响扩散过程的因素,及长输天然气管道存在的风险,根据流体力学和热力学理论,进行了天然气管道泄漏量、紊动射流理论分析,证明了根据压降速率不能确定孔径大小,并确立一种以SCADA系统为辅助计算事故后天然气管道的泄漏孔径和任意时间内的泄漏量的方法。通过详细分析总结了对天然气扩散影响的最大因素——风的特性,并根据风速耗散原理和建筑力学的有关理论知道,上风向的地表障碍对此地点风的高度梯度剖面曲线产生重大影响,高度梯度剖面曲线的不同反映在风速指数的不同,即此地点粗糙度的不同。总结起来就可以简单表述成:风速影响天然气扩散,地面粗糙度(即风速指数)影响风速及高度梯度,地形障碍决定地表粗糙度。最后,借助GIS系统根据某地点上风向的建筑障碍距此地点的距离、体积、高度、稀疏度和方位,用公式换算出此地点的地面粗糙度,从而以地面粗糙度为指标建立一种在GIS下区分不同地表形态的量化方法,从而有针对性进行模拟计算,即特征地形理论。从而解决了天然气在复杂地表形态下的扩散问题。最后基于上述模型,采用计算流体力学仿真软件FLUENT进行模拟计算,最后计算分析总结在不同外界风速、不同管道架设方式、不同喷射方向、不同泄漏孔径、不同地形、不同泄漏压力等条件下对天然气扩散的影响情况;对非稳态扩散时天然气气云达到稳定所需时间也得出了结论,即天然气的浓度边界越小,则需要稳定的时间就越长。

天然气泄漏; 扩散模拟; 复杂地表形态; 地面粗糙度; SCADA与GIS辅助;

李自力;

TE88

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