基于CFD的城市埋地天然气管道泄漏扩散数值分析

针对城市埋地天然气管道泄漏天然气扩散问题,基于计算流体动力学CFD方法建立城市埋地天然气管道泄漏扩散数值模型,对天然气的主要成分——甲烷在土壤中的扩散行为进行模拟与分析,根据甲烷的爆炸极限观察天然气泄漏扩散危险区域变化,并分析不同孔隙率土壤对天然气扩散的影响。研究结果表明:埋地天然气管道泄漏气体扩散至土壤过程中,气体浓度等值线出现不规则变化,高浓度区等值线近似为椭圆,浓度梯度随时间的增加而减小,爆炸下限位置在天然气泄漏初期迅速变化,10 s后以均匀速度向地表移动;土壤孔隙率对天然气对流扩散影响显著,孔隙率越大,管道泄漏口处高浓度区域越大,中浓度区域越小,低浓度区域越容易扩展到地表,浓度梯度变化趋势相似。     

城市管道天然气在土壤中泄漏扩散实验研究

天然气在土壤中扩散行为的实验研究对埋地管道泄漏点的科学定位及泄漏事故的预防具有重要意义.采用全尺度气体泄漏实验系统,模拟真实埋地管道泄漏场景,对泄漏后的天然气在土壤中的扩散对流过程进行实验研究.基于自行研制的气体检测与数据采集系统和GasClam地下气体在线监测仪,分析天然气在土壤中的对流扩散规律.结果表明:埋地管道泄漏后天然气在土壤中的对流扩散过程可以分为4个阶段:孕育阶段、陡然增长阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段,其浓度随泄漏时间的变化过程符合S型曲线特征.天然气扩散至检测点所需时间与距泄漏口距离呈现近似的幂指数关系.当检测点位于泄漏口附近区域时,泄漏压力起主导作用.当检测点位于远离泄漏口区域时,泄漏量起主导作用.     

大气土壤耦合的埋地燃气管道泄漏扩散数值分析

为了研究埋地燃气管道泄漏燃气在非稳态泄漏条件下的扩散行为，基于燃气管道非稳态泄漏大孔模型，应用CFD分别求解土壤和大气扩散方程，通过丙烷地面扩散通量耦合了土壤和大气环境，进行了泄漏扩散的数值模拟，所得模拟计算结果与地上泄漏扩散数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:耦合模拟条件下，风速仍是影响丙烷扩散距离和高度的主要因素；温度和相对湿度对丙烷扩散有相对较小的影响；与埋地泄漏相比，不同条件下地上泄漏的扩散距离和扩散高度均有误差，水平扩散距离误差普遍较大，扩散高度个别情况下误差较大；地上泄漏条件下的模拟结果数值偏大，对事故的预测和评估准确性会产生显著影响。     

金属埋地管道腐蚀泄漏及大气扩散过程推理模型研究

为了定量评估埋地金属管道腐蚀泄漏的风险,将贝叶斯网络和蒙特卡罗模拟方法用于计算管道腐蚀泄漏及扩散范围概率。建立了埋地金属管道腐蚀泄漏贝叶斯网络,量化了各事件之间的关联。在已知先验概率的基础上,运用贝叶斯概率计算得到管道腐蚀泄漏的后验概率值。利用蒙特卡罗模拟方法对泄漏后气体扩散范围进行了数值模拟,给出了主要模型变量的概率密度函数,得到了扩散区域范围概率分布特征。研究结果表明,管道腐蚀泄漏过程受输送介质和土壤腐蚀性、防腐措施有效性和大气扩散条件的影响,具有较大的不确定性。分析方法考虑了模型参数随机性对计算结果的影响,评估结果可以用于比较不同条件下埋地金属管道腐蚀泄漏扩散的风险。     

埋地原油管道油品泄漏扩散三维数值模拟

为了评估埋地原油管道泄漏的危害范围,以原油管道泄漏事故为研究对象,采用计算流体力学等理论知识,建立了埋地输油管道三维泄漏扩散过程的物理模型和数学模型,确定了泄漏前稳态的初始条件和泄漏后非稳态的边界条件;利用FLUENT软件进行了数值模拟,计算出了不同时刻油品在土壤中的扩散范围。计算结果表明,管道泄漏后原油扩散范围与泄漏时间保持一定变化规律,在无法检测扩散深度的情况下可根据扩散宽度进行粗略估算,大体确定事故泄漏扩散范围,可以为事故处置提供参考,提高事故的应急控制能力。     

海底埋地热油管道泄漏扩散的数值模拟

采用有限容积法建立海底饱和含水淤泥多孔介质的流固耦合传热模型。利用FLUENT软件数值模拟了海底埋地输油管道输送过程中海泥温度场变化及原油在海泥中的分布规律。分析了原油泄漏后在海水中的分布规律。对泄漏后海泥温度场的模拟表明:管道泄漏后,一定时间内管道周围海泥温度波动比较剧烈,由于受海底温度的影响,泄漏前锋原油温降较快,热影响区范围变化逐渐趋于平稳。且随泄漏位置的不同,海泥温度场变化及海泥原油分布差异较大。当原油从海底海泥介质中到达海水底层后,在海水浮力的作用下流向海面,流动过程受到海水流动速度海平面风速等因素的影响。为以温度传输为基础的海底埋地管道泄漏检测提供了一定的理论基础。     

架空及埋地天然气管道泄漏扩散数值研究

天然气在管道运输过程中,由于含硫等腐蚀性气体对管道内壁的腐蚀作用,在管内其他压力的作用下,会引起穿孔泄漏。泄漏后的天然气扩散后,可能会引发火灾、中毒或爆炸。因此,进行天然气管道泄漏扩散及数值模拟研究,对管道输送安全运营和保障人生财产安全意义重大。该文利用CFD软件对架空及埋地含硫天然气管道穿孔泄漏后的甲烷、硫化氢气体的扩散进行了数值模拟。结果表明,受土壤毛孔阻力的影响,埋地天然气管道泄漏爆炸范围比架空天然气管道泄漏要小,但其在地面的影响时间长,硫化氢的中毒范围比架空要低30m左右。为天然气的安全输送及环境保护提供了理论依据。     

埋地管道泄漏天然气在分层填筑土壤扩散数值模拟研究

城市埋地天然气管道发生泄漏不易被发现,并易产生爆炸、火灾、中毒等次生事故,针对低压埋地天然气管道施工分层填筑与不分层填筑的两种情况建立模型,依据多孔介质模型修正后的基本控制方程,采用FLUENT组分运输模型、RNG k-ε湍流模型,对管道沟渠分层填筑与不分层填筑气体泄漏扩散情况进行数值模拟。根据仿真土壤含气摩尔量划分三个浓度区域进行分析,分层填筑土壤分界处砂土含气量达到低浓度的时间较快约为60 s,12 min可以达到高浓度区域。两种材质交界面处,高浓度气体扩散存在延迟,中浓度和低浓度气体扩散在交界面处扩散曲线有明显拐点,进入到上层土壤材料后扩散速率加快,不分层填筑模型扩散速率没有明显改变。     

埋地燃气管道泄漏扩散过程数值模拟

为减少天然气输送过程因泄漏引发的安全问题,构建埋地燃气管道泄漏扩散过程的三维计算流体动力学(CFD)模型,研究管道入口压力、泄漏孔尺寸、泄漏孔形状和土壤孔隙率等各参数对泄漏量与扩散范围的影响,拟合埋地管道燃气泄漏量与各参数的经验关联式,并通过公开文献中的试验数据进行验证。结果表明:泄漏量与扩散距离都随着管道入口压力、土壤孔隙率和泄漏孔尺寸的增大而增大,管道直径和泄漏孔形状对泄漏量的影响较小;在设定管道入口压力为2.1和156 k Pa的条件下,拟合的经验关联式计算值与试验值的误差分别为7.18%和19.79%,证明关联式具有其有效性,可为计算埋地管道燃气泄漏量提供理论指导。     

土壤-大气中燃气泄漏扩散规律研究

为对燃气管道、与其并行管道的敷设及燃气泄漏事故的应急管理决策提供依据,采用环刀法和自主搭建的试验平台,获得孔隙度和土壤阻力系数等土壤扩散控制方程的关键参数;建立埋地管道燃气泄漏的物理模型,并运用计算流体动力学(CFD)三维模拟的方法,研究管道埋深及泄漏孔径对燃气沿土壤-大气扩散规律的影响。结果表明:随着埋深的增加,燃气在土壤中的危险区域范围先减小后增大;随着泄漏孔径的增大,危险区域范围明显增大;燃气沿土壤-大气扩散时易在街谷内形成近地面积聚。因此,敷设燃气管道时适宜的埋深可减小燃气在土壤中扩散的危险区域范围,与燃气管道存在耦合危险的并行管道最好沿街道两边分开敷设,街道空腔区是燃气泄漏事故应急管理的重点区域。     

2 000 m超深水水下分离器泄漏油气扩散特性研究

深水水下分离器服役过程中由于腐蚀、地质灾害和环境高压作用,存在失效泄漏风险。针对2 000 m超深水水下分离器可能存在的失效泄漏问题,基于计算流体动力学CFD方法,建立分离器失效泄漏后果数值仿真分析模型,对分离器泄漏场景进行模拟与分析,研究2 000 m水深条件下分离器泄漏油气扩散规律,并考虑不同泄漏位置对油气扩散行为的影响。结果表明:水下分离器泄漏包括压力扩散和自由扩散两个阶段,压力扩散阶段历时极短,自由扩散阶段耗时较长;泄漏口位置对泄漏结果有较为明显的影响,分离器上部泄漏,油气全部溢出,分离器中下部泄漏,大部分油气保留于分离器内部,最终形成分明的油气水界面;分离器内部压力随时间迅速上升,t=0.25 s左右接近于20 MPa,后期在20 MPa左右呈极微小波动,泄漏速率随分离器内部压力增大迅速减小,达到最低点之后,呈微小波动状变化。     

Gas leakage consequence modeling for buried gas pipelines

One of conservation transfer methods for such widely-used gases as natural gas and hydrogen is buried pipelines. Safety of these pipelines is of great importance due to potential risks posed by inefficiencies of the pipelines. Therefore, an accurate understanding of release and movement characteristics of the leaked gas, i.e. distribution and speed within soil, the release to the ground surface, the movement of hydrogen gas through the ground, gas underground diffusion, gas dispersion in atmosphere, and following consequences, are very important in order to determine underground dispersion risks. In the present study, consequences of gas leakage within soil were evaluated in two sub-models, i.e. near-field and far-field, and a comprehensive model was proposed in order to ensure safety of buried gas supply pipelines. Near-field model which is related to soil and ground and its output is the gas released at different points and times from ground surface and it was adopted as input of far-field sub-model which is dispersion model in atmosphere or an open space under the surface. Validation of near-field sub-model was performed by the experimental data obtained by Okamoto et al. (2014) on full-scale hydrogen leakage and then, possible scenarios for far-field sub-model were determined.     

深埋管道中泄漏孔对燃气泄漏影响的数值模拟*

为研究泄漏孔的各种因素对深埋土体中燃气管道泄漏的具体影响，采用1个包含燃气管道的三维模型，研究单个泄漏孔的大小、位置、形状对于埋地燃气管道泄漏的影响，并建立大小相等的双泄漏孔的燃气管道，确定双泄漏孔间距对于燃气泄漏扩散的影响。结果表明:泄漏孔越大，燃气在土壤中的扩散速度越快，且泄漏孔的大小对深埋燃气管道泄漏的影响最大；泄漏孔位置的影响次之，顶部与侧壁的泄漏孔扩散速度相差无几，底部泄漏孔的扩散速度远低于前2者；双泄漏孔间距的影响较小，双泄漏孔的距离越小，甲烷的扩散速度越快；泄漏孔形状对于深埋燃气管道泄漏扩散的影响非常小。     

城市天然气管道泄漏的危害分析

城市天然气系统的管道化很大程度上便利了人们的生活,但与此同时管道泄漏也造成灾难性后果.采用高斯烟团扩散模型,对天然气管道瞬间泄漏的扩散行为进行模拟,计算出天然气管道泄漏后的最大危害距离,其结果可以为应急救援提供决策支持.     

加载条件下不同埋深原水管道受力特征模型试验*

为探究不同埋置深度对原水管道影响,利用缩尺模型对不同埋深条件下原水管道受力特征进行分析,综合研究管道外径、管道埋深、加载值和加载方式等因素对管道受力影响。结果表明:中心加载条件下,随管道埋深增加,管道应力呈先增大后减小趋势,当埋深厚度与管径比值为3时,管道应力达到最大,土拱效应开始显现;偏心加载条件下,埋深厚度增大使管道应力不断增加,但后期管道应力增长率小于前期;相同埋深厚度条件下,中心加载与偏心加载条件下,同截面管底处应力值相对最大。研究结果可为不同埋深区域内原水管道维护运营提供指导。     

基于实验与仿真的三维水下气体泄漏预测与安全评估研究

水下气体羽流特性是海底气体泄漏风险评估的重要基础。为准确预测水下气体羽流行为，基于计算流体动力学(CFD)方法，建立1种考虑气体卷吸湍流特性的三维水下气体羽流数值预测模型；采用欧拉-欧拉流体体积模型捕捉气液作用界面，以大涡模拟(LES)方式预测羽流上浮及卷吸过程中的湍流特性，从而实现对水下气体羽流行为的预测；搭建小尺度实验平台，对比仿真与实验条件下的气体羽流形态，验证数值模型的可行性及预测精度；应用建立的数值模型对工程条件下的水下气体泄漏事故进行预测和评估，以某浅层气井喷事故为例，评估水下气体羽流上浮时间、海面影响范围和涌流高度。结果表明:基于欧拉多相流与大涡模拟的数值模型对水下气体羽流预测结果与实验具有较好的吻合度，该模型能够较好捕捉羽流的湍流特性，可为水下气体泄漏羽流行为评估提供参考。     

中压天然气管道泄漏扩散模拟研究

建立了埋地中压天然气管道发生泄漏时时的数学模型,将土壤视为各向同性的多孔介质,采用FLUENT对天然气在土壤中的扩散规律及浓度分布进行模拟,分析不同时刻地表的危险区域范围,并对比了不同管道压力、泄漏孔径大小、泄漏位置等工况下危险半径随时间的变化。结果表明:管道压力越大,泄漏的体积流量越大,同一时间危险范围越大;相同的泄漏压力下,泄漏孔径对危险半径没有很大影响;不同泄漏孔位置,泄漏初期向上开口时危险半径最大,一段时间后向下开口危险半径最大。     

化学品突发性事故预测的不确定性分析

介绍化学品突发性事故预测的不确定性概率统计和模糊数学分析方法。对参数和模式的不确定性分别进行了讨论,计算机系统包括化学品常用数据库、事故识别模块,事故后果分析模块和不确定性分析模块,对液氯泄漏排放事故、液化气（丙烷）两相闪蒸爆炸和管道煤气（CO）泄漏伤害模式实例进行了分析。对连续源和瞬时源的讨论说明泄漏时间的确定对事故分析极为重要。