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室内燃气泄漏的模拟研究

发布时间:2019-05-17
  摘要
  
  随着国家环保力度的加强,民用燃气发展非常迅速,民用燃气规模和数量增长显着,城乡燃气使用的安全形势面临考验。户用燃气安全关系到居户生命财产安全,室内燃气泄漏相较于室外燃气泄漏具有更大的危险性,对室内燃气泄漏问题亟待深入研究。
  
  采用理论分析与数值模拟的方法对室内燃气泄漏危险性进行了分析。基于室内危险物扩散过程的理论分析和气体射流理论分析,建立了管道小孔出流模型的基本控制方程。

室内燃气泄漏的模拟研究
  
  对于燃气泄漏非稳态对流扩散,得出了天然气泄漏扩散适用的控制方程,给出了初始条件和边界条件,并采用有限体积法对其求解。使用 FLUENT 模拟仿真软件,对小孔泄漏事故和灶具泄漏事故两种工况进行了数值模拟分析,得出天然气泄漏扩散受到浮力的影响比较大,天然气泄漏沿着墙壁有上升的趋势。对泄漏流量、泄漏时间、环境风速以及室内门开闭状况等因素对室内燃气泄漏的影响进行了模拟分析,得出泄漏量是直接影响泄漏燃气浓度的因素;泄露时间是另外一个重要的影响浓度的因素,危险区域的范围与泄漏的时间呈正比例关系,泄漏的时间越长,室内的危险区域的范围越大;厨房门的开启将会导致燃气的进一步扩散,产生危险的概率加大。通过 VisualBasic 语言,设计出适用的气体泄漏效应的计算程序。
  
  关键词:   室内;燃气泄漏;FLUENT 仿真模拟;浓度分布规律;危险效应。
  
  Abstract
  
  With the strengthening of national environmental protection, the development of civil gas is very rapid, the scale and quantity of civil gas increase significantly, and the security situation of urban and rural gas use is facing a test.The safety of household gas is related to the safety of household life and property. The leakage of indoor gas is more dangerous than that of outdoor gas. It is urgent to study the leakage of indoor gas.
  
  The risk of indoor gas leakage is analyzed by theoretical analysis and numerical simulation. Based on the theoretical analysis of indoor hazardous substance diffusion process and gas jet theory, the basic governing equation of the outlet model of small holes in pipeline is established. For the unsteady convection diffusion of gas leakage, the governing equation applicable to gas leakage diffusion is obtained, the initial and boundary conditions are given,and the finite volume method is used to solve the equation. Using FLUENT simulation software, the numerical simulation analysis of small hole leakage accident and stove leakage accident is carried out. It is concluded that the gas leakage diffusion is greatly affected by buoyancy, and the gas leakage has an upward trend along the wall. The effects of leakage flow,leakage time, ambient wind speed and indoor door opening and closing conditions on indoor gas leakage are simulated and analyzed. It is concluded that leakage is a direct factor affecting the concentration of leakage gas; leakage time is another important factor affecting concentration, and the range of dangerous area is in line with the time of leakage. In a positive proportion, the longer the leakage time, the larger the range of dangerous areas in the room;the opening of kitchen doors will lead to the further spread of gas and increase the probabilityof danger. Through the VisualBasic language, the calculation program of gas leakage effect is designed.
  
  Keywords:    indoor; natural gas leakage; FLUENT simulation; concentration distribution rule;dangerous effect。
  
  第 1 章绪论。
  
  1.1 课题的研究背景。

  
  越来越严重的大气污染促进了民用天然气的快速发展。进入新世纪以来,世界经济不断发展,中国经济一直保持着高速发展,然而环境污染特别是大气污染伴随着经济高速发展有愈加严重的趋势。以煤炭、石油为主的燃料供应结构已不适应广大人民群众对环境质量的要求,更为清洁的天然气成为城乡居民用能(一次能源)的最佳选择,天然气在城乡民用领域的发展非常快。
  
  燃气产量的持续增长使天然气应用获得迅速发展。BP 世界能源统计年鉴(2018)表明,全球天然气产量在 2017 年均增速达到 4%,约为过去 10 年内天然气产量平均增速的 2倍[1]。中国消费增速极高,2017 年增长 15.3%,消费总量达到 310 亿立方米[1]。2017年环保力度加大,以京津冀地区为核心向外不断辐射的“煤改气”工程,推动了中国天然气消费量的快速增长。
  
  因为现阶段民用燃气发展非常迅速,城乡使用燃气的安全问题不可忽视。伴随着天然气走进千家万户,城乡大气环境在一定程度上得以改善,但是,伴随而来的燃气安全事故层出不穷。通过对全国各个省市燃气爆炸新闻的统计,2018 年上半年有新闻报道的燃气爆炸事故 390 起[2],平均每天 2.15 起燃气爆炸事故。在全部燃气爆炸事故中,室内燃气爆炸 263 起[2],占总爆炸事故总数的 67.4%,平均每天 1.45 起;室外燃气泄漏及爆炸 127 起[2],占总爆炸事故总数的 32.6%,平均每天 0.7 起。由于燃气爆炸带来的经济损失是重大的,带来的人员伤亡是沉重的,燃气安全形势异常严峻。2018 年上半年天然气爆炸故事按月分布如图 1-1 所示。
  
  
  
  1.2 课题研究的意义。
  
  本课题对室内燃气泄漏安全效应展开研究,契合社会发展需要,社会意义明显。天然气的快速发展带来了燃气事故的增长,室内燃气安全事故占了三分之二,室内燃气安全的研究关系家家户户生命财产的安全。由于燃气的快速发展,居民用气的数量和范围不断扩大,用气人员的培训教育不能及时跟上,加之燃气具及管道施工安装不规范、设备老化腐蚀等问题,都会导致燃气泄漏事故,对室内燃气泄漏危险性展开研究与居民日益重视燃气使用安全相适应。
  
  室内燃气泄漏与室外燃气泄漏有明显的区别,室内燃气受到围护结构的限制,泄露扩散在密闭空间内,泄露扩散和浓度分布与室外大空间泄漏明显不同,同时,室内人员的专业性与否、室内各种设备器具的使用都对室内燃气泄漏爆炸产生影响,室内燃气泄漏危险性更大。本课题运用 FLUENT 模拟仿真的方式探索户内燃气泄漏的规律,重点研究在燃气泄漏的过程中,各因素对室内天然气浓度的影响,标出住宅内的危险区块,通过编程计算,得出各区域发生爆炸后的危险程度,该研究在实际工程运用中具有重要意义。
  
  1.3 国内外研究现状。
  
  1.3.1 国外研究现状。

  
  国外较早开始对气体泄漏扩散相关规律的探索,二十世纪八十年代便已开始了大规模的系统分析。关于射流泄漏,在上世纪七十年代,Chen&Rodi 等首次用单尺度模型分析了浮力射流流动问题[3]。
  
  国外在泄漏率领域进行了大量研究和分类,Helena Montiel 根据小孔泄漏,探索了不同状态下的管道大口径泄漏现象[4];Levenspiel基于气体在管道内的各种热力学状态,搭建数学模型,探索了管道截面断开过程中的泄漏现象,总结讨论了沿管线方向上压力的变化规律[5];在一些特殊工况下,国外研究人员针对气体泄漏也陆续搭建了一些扩散模型,如高斯烟羽、有限元、唯象模型(Britterand McQuaid Model)、浅层模型、相似模型及板块模型等,后被学者广泛运用。对高斯模型的探索历程更深远,高斯烟羽模型是分析不计浮力工况下的气体泄漏状态,高斯烟羽模型已经被广泛运用,相对更成熟,但在突发性泄漏仿真中的效果不容乐观。
  
  对于高斯烟团模型,分析气体泄漏扩散时忽略掉重力和浮力的影响,特别针对突发状况下的气体泄漏,因为两种高斯模型都不考虑重力和浮力的影响,故该模型的应用领域较少,质量相对较轻的气体泄漏扩散的仿真结果更加符合试验结果;唯象模型(BM)是通过大量曲线图构成,针对重质气体,在突发性扩散工况中广泛应用。三维有限元模型(FEM3)始于 20 世纪 70 年代,对重质气体的不定常湍流扩散进行求解时,经常用到;箱与相似模型及浅层模型等,更适用于重质气体的扩散现象模拟,只不过需要使用更高性能的计算机[6]。
  
  在对环境流体力学的研究中,射流占有重要地位,被广泛运用到实际的工程中。工农业和人类生活废气废水,一般皆为射流方式排至水和大气环境中,如从烟囱流出的废气、发电厂排进海洋里的废水,以及本研究探讨的可燃气体从管道的泄漏现象。这些全部属射流现象,其流动一般为湍流状态。如果流体同周围环境流体有密度差,会有浮力产生从而影响射流,对于该问题的研究历程久远,但因为流动状态较为复杂,所以目前依然有很多问题丞待解决,在湍流浮力射流领域的探索,依旧是环境流体力学领域的关键点。在湍流的浮力射流特性的模拟仿真领域,也取得了许多研究成果。
  
  1.3.2 国内研究现状。
  
  国内在户内燃气泄漏领域的研究不多,近年来发展较快,在国外模型的基础上做了创新提升。考虑到高斯模型存在局限性,一般只适用于重质气体,国内王大庆等对其做出了改进[8],创建了不定常泄漏工况下的修正模型,将外界风压、风速、泄漏孔径大小等因素考虑在内,探索研究了小孔泄漏、完全断裂等情况。
  
  朱伯龄等分析了液化天然气储罐发生泄漏时的扩散现象,划分出危险区域,绘制出泄漏孔径不同情况下危险区域的分布变化图[9];于洪喜等用 CFD 模拟的方法模拟了室外天然气管道的泄漏状况,分析总结了天然气在无限大空间内泄漏工况下,燃气的浓度随地势变化的分布规律,地势高则天然气受风向的作用大[10]。贾云飞等通过 CFD 模拟仿真的方式,模拟出了户内燃气泄漏工况,得出室外风速、室内泄漏口径大小等对燃气泄漏浓度分布的作用很明显[11]。于畅等由射流理论出发,探索出户内燃气泄漏的普遍规律,得到了户内危险区域的范围随着泄漏时间的变化,对预计产生的危险后果进行了分析[12]。
  
  国内在射流领域的探索,段卓平[13]等通过数值仿真法探究了大气中易燃、易爆物的扩散状况,顾及地形等因素的作用,总结了危险区域内危险物浓度分布规律和其浓度随时间的变化分布。魏利军[14]等对泄漏事件后发生状况进行了模拟仿真,分析处理模拟计算结果,得出危险物在不同空间的浓度和滞留时长,再有毒负荷。哈工大的一篇博士论文中,作者张秀华通过 ANSYS/LS-DYNA[15],模拟在爆炸级别荷载作用下钢框架的性能以及破坏状况,还分析了爆炸荷载下钢框架结构的倒塌状况。
  
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  1.4 室内燃气泄漏危险性研究的必要性
  1.5 课题研究内容
  1.6 论文架构
  1.7 本章小结
  
  第 2 章室内燃气泄漏理论分析
  
  2.1 危险物质扩散过程
  2.1.1 源释放
  2.1.2 气云的形成过程
  2.1.3 气体的扩散过程
  2.2 气体射流理论概述
  2.2.1 射流的类别
  2.2.2 户内燃气泄漏工况下的射流
  2.3 气体流动基本控制方程
  2.3.1 连续性方程
  2.3.2 运动方程
  2.3.3 能量方程
  2.3.4 本构方程
  2.4 管道泄漏工况分析
  2.4.1 天然气管道泄漏分类
  2.4.2 孔隙泄漏理论
  2.5 本章小结
  
  第 3 章室内燃气泄漏扩散模型及算法
  
  3.1 建立室内燃气泄漏的扩散模型
  3.1.1 非稳态对流扩散方程的推导
  3.1.2 基本控制方程组
  3.2 模型的初始条件和边界条件
  3.2.1 初始条件
  3.2.2 边界条件
  3.3 有限体积法离散化求解过程
  3.4 本章小结
  
  第 4 章两种典型燃气泄漏的 FLUENT 数值模拟
  
  4.1 FLUENT 软件简介
  4.2 房间的物理模型
  4.3 FLUENT 软件参数的设定
  4.3.1 网格的划分
  4.3.2 湍流模型的选择
  4.3.3 房间模型的边界分区
  4.4 两种泄漏工况下的 FLUENT 模拟结果对比
  4.4.1 燃气管道小孔泄漏
  4.4.2 人为原因阀门忘关导致的灶具泄漏
  4.5 本章小结
  
  第 5 章不同条件下的燃气泄漏模拟研究及分析
  
  5.1 泄漏流量对燃气浓度分布的影响
  5.2 泄漏扩散持续时间对天然气浓度分布的影响
  5.3 门的打开和闭合对天然气浓度分布的影响
  5.4 本章小结
  
  第 6 章燃气泄漏危险区域的划分分析
  
  6.1 计算爆炸极限
  6.2 不同条件下的危险区域划分
  6.2.1 不同泄漏流量时的危险区域
  6.2.2 不同泄漏时间的危险区域
  6.2.3 门开启或闭合时的危险区域
  6.2.4 外界风速不同时的危险区域
  6.3 危险区域的爆炸效应计算
  6.3.1TNT 当量计算
  6.3.2 爆炸冲击波计算
  6.4 户内天然气泄漏的危险效应计算软件的编制
  6.4.1VisualBasic 编程
  6.4.2 软件参数及相应计算简介
  6.4.3 软件算例分析
  6.5 本章小结
  
  第 7 章室内燃气泄漏的危害及预防措施
  
  7.1 室内燃气泄漏的危害
  7.1.1 爆炸
  7.1.2 窒息
  7.2 室内燃气泄漏的预防
  7.2.1 燃气设计的安全管理措施
  7.2.2 燃气施工的安全管理措施
  7.2.3 燃气服务的安全管理措施
  7.3 本章小结

  结论

  天然气的泄漏扩散是一个较为复杂的过程,根据室内泄漏事故的喷射特性,通过对有限空间内管道泄漏条件和天然气扩散模拟的分析,得出天然气在有限空间内不同条件下的扩散分布的特点。本研究由选择 Fluent 软件进行了数值计算模拟,旨在研究气体泄漏的扩散分布实时状态以及引起的危险区域。随后,通过 VisualBasic 编程语言编制了计算可燃气体泄漏危险效应的程序辑,最终模拟研究了可能的爆炸后果。

  主要有以下结论:

  (1) 天然气泄漏和扩散是一个较复杂的过程,通过射流理论的分析,初步了解了在居民户内燃气的泄漏过程可以被认为是在均匀环境下的正浮力射流,并且满足质量、能量守恒以及流体的其他运动规律。燃气在泄漏过程中的工况为稳态流体并与周围环境绝热,进而推导出管道内燃气运动方程。

  (2) 针对户内燃气泄漏扩散模型的创建和选取进行了分析研究,对非稳态对流扩散方程进行了推导。对搭建模型的边界条件以及初始条件等进行合理设定,设定好扩散模拟适用的数学模型和适用的边界面之后,采用有限体积法(FiniteVolumeMethod)来离散化求解。

  (3) 通过对燃气管道小孔泄漏及厨房灶具的泄漏两种工况进行了数值模拟分析,我们可得出:天然气泄漏扩散过程中,受到浮力的影响比较大,泄漏孔流出的天然气具有较高的速度和浓度,随着浮力的增大,浓度曲线趋于上升。天然气泄漏沿着墙壁有上升的趋势,经过天花板形成漩涡不断扩散,由于天然漩涡的中心气体含量很少,在漩涡的边缘浓度较大,漩涡的内部浓度很低。

  (4) 通过对不同条件下的燃气泄漏进行了数据模拟,包括改变泄漏流量、泄漏持续时间以及门的开启、闭合状态等工况的模拟,我们得出泄漏量是直接影响泄漏燃气浓度的因素;泄露时间是另外一个重要的影响浓度的因素;厨房门关闭和打开的条件下,两种工况下的分布规律较接近,皆出现分层现象,门的开启将会导致燃气的进一步扩散,进而使得燃气在整个室内都保持流通的状态,继而造成更大面积的扩散,故产生危险的概率自然随之加大。

  (5) 同时,我们可得出危险区域的范围与泄漏的时间呈正比例关系,泄漏的时间越长,室内的危险区域的范围越大。燃气爆炸的危险区域与其发生泄漏的位置、泄漏的时间、燃气的泄漏量等因素有密切的关系。燃气爆炸事故发生后,需对爆炸区域仔细排查,搜集有价值的信息。

  (6) 通过对室内燃气泄漏爆炸破坏作用及危害预防措施进行归纳叙述,有关于事故的预防可通过胶管、灶具及热水器等方面进行优化设计选择;关于火灾事故,可从控制消除火源着手;对燃气设施的优化配置方面进行了列举叙述;在室内天然气安全管理措施方面,分别对燃气设计阶段、施工阶段和服务阶段进行了论述。

  参考文献

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