水深对海底管道泄漏水下气体扩散行为的影响研究

针对海底输气管道泄漏气体扩散问题,基于计算流体动力学CFD方法,建立海底输气管道泄漏水下气体扩散模型,重点考虑水深的影响,对不同水深条件下的气体扩散行为进行模拟与分析,预测水下气体扩散路径、上浮时间、海面溢出点位置及溢出区域范围等关键参数,通过数值仿真与数据拟合,建立海底输气管道泄漏水下气体扩散参数快速计算模型。研究结果表明:海底输气管道泄漏水下气体扩散至海面时,形成不规则的倾斜倒锥形羽流结构;水深对气体扩散过程中羽流的倾斜角度和气泡分散程度具有重要影响;随着水深增加,气体扩散至海面的时间增长,溢出区域范围增大;不同水深条件下,气体羽流水平和垂向参数整体变化规律基本一致。     

某不稳定边界层单体建筑后方点源污染扩散的大涡模拟

首先产生大涡模拟所需要的入流湍流条件,然后应用标准Smagorinsky模型对位于某不稳定边界层的单体建筑后方点源污染扩散问题进行了数值模拟。结果表明,在不稳定条件下,使用大涡模拟能够较好地预测单体建筑的绕流特性和污染物分布。单体建筑绕流的湍流场十分复杂,空气流经建筑后发生了分离,在建筑后方形成了再循环区域,使高浓度气体被输送到建筑背面附近。受周期性涡脱落现象的影响,污染气体被释放后逐渐向建筑两侧及下游扩散,形成了较宽的扩散区域。气体的高浓度和低浓度瞬时等值面表现出了不同的特征。     

近海埋地管道泄漏气体扩散安全评估研究

为评估近海埋地管道泄漏气体扩散风险,基于流体体积与多孔介质方法,建立水下埋地管道泄漏气体扩散预测模型,模拟气体在海底土壤及海水中的运移扩散过程。研究结果表明:泄漏气体在海底土壤中扩散时间较短,扩散直径变化经历快速增长期、缓慢增长期和平稳期3个阶段,海水中羽流直径与羽流高度均随时间增加,且相比羽流高度,羽流直径的增长速度呈现先大后小的态势;增加泄漏孔径与泄漏压力,气体在海底土壤中扩散直径增大,海水中气泡体积明显增加,上浮时间减少,水平偏移量和海面处羽流直径减小。该模型可实现对近海埋地管道气体泄漏的准确预测,得出扩散轨迹等关键羽流数据,为后续的安全评估提供数据支撑和理论支持。     

风速对LNG泄漏扩散过程影响的数值模拟

为研究环境风速对液化天然气(LNG)泄漏扩散过程的影响,采用Fluent建立LNG连续泄漏计算流体力学模型,开展不同风速下LNG泄漏扩散过程的数值模拟研究。结果表明,LNG泄漏扩散分为扩散初期、扩散中期、扩散后期3个阶段,扩散过程中LNG从低温重气逐渐转变成轻质气体。环境风速对气云的扩散主要体现在:低于5级风时,云团以两侧卷吸为主,气云表现为"叶状分叉"、中间低两端高,此时气云横风向扩散较快,甲烷扩散距离与冻伤距离随风速增大而增大;而高于5级风时,云团以顶部卷吸为主,气云表现为云团坍塌、中间高两端低,此时气云垂直风向扩散较快,甲烷扩散距离与冻伤距离随风速增大而减小。初步建立了LNG蒸气云爆炸风险范围与冻伤区域和泄漏时间、环境风速的函数关系,可为爆炸风险区域和低温冻伤区域的预测提供理论支撑。     

水平管分层流下微孔泄漏特性数值模拟和实验分析

在油气田开发过程中,通常采用气液相混输模式,管道受腐蚀等因素影响容易出现穿孔而发生两相流泄漏。为分析两相流泄漏特性,对管内常见流型分层流下的微孔泄漏特性进行数值和实验分析;采用VOF耦合Level set算法分析了不同影响因素下的气液两相泄漏特性,设计了1种管道泄漏收集装置,进行室内两相流泄漏实验,并验证了数值预测模型的准确性。研究结果表明:气液两相流经过管壁泄漏口时会发生相分离,泄漏特性受小孔方位、管路内外压差、气液相流速影响较大;泄漏口位于管路侧壁时的泄漏特性与其他角度下的泄漏特性有所不同,可用泄漏影响区内的气液分布进行解释;当泄漏口位于管路底部时,存在临界液相分流系数,当液相分流比小于此临界值时,泄漏流体为单相液体。VOF耦合Level set算法的数值方法可为管路泄漏量预测和相分离特性分析提供参考。     

重气扩散的数值模拟

易燃易爆有毒物质泄漏事故常形成比空气重的气云 ,国外已开发了大量不同复杂程度的重气扩散模型 ,其中数值模拟已成为快速发展的领域。本文综述了重气扩散的湍流模型 ;还描述了数值模拟的计算方法及其准确性 ;最后分析了目前存在的问题 ,提出了今后的发展方向。     

水下气体泄漏海面火灾后果预测及评估

为评估水下气体泄漏在海面形成的火灾后果,针对某海洋钻井平台上风向浅层气井喷导致的火灾场景,构建水下泄漏海面气体火灾后果预测与评估模型;模拟分析风载荷作用下的海面气体火灾演化过程,预测火灾高温和热辐射通量的时空分布特征;评估海面气体火灾对临近下风向海洋钻井平台钢结构及作业人员安全的影响。结果表明:海面气体火灾在风载荷作用下约40 s达到稳态,稳态火焰几乎覆盖整个海洋钻井平台上部,最大火焰高度约96 m;整个海洋平台都会受到火灾高温和热辐射的影响,火灾影响区域的最高温度达到1 500℃,热辐射通量为539 kW/m~2;持续的高温和热辐射作用会使平台钢结构发生断裂或坍塌,造成作业人员严重伤亡。     

室内氢气泄漏扩散的数值模拟

氢能是有发展前景的新型能源之一,氢气的安全储存是氢能应用必须解决的问题。本文建立了基于大容量金属储氢装置的室内氢气泄漏扩散模型,利用计算流体力学软件FLUENT,对室内储氢罐的泄漏扩散过程进行数值模拟,得到了氢气泄漏扩散的速度分布、浓度分布。分析数值模拟结果,得出在该模拟条件下,氢气泄漏时的流动状态为射流湍流;泄漏后上浮扩散,空间密闭时积累于室顶;通风条件下大部分区域的氢气浓度仍然高于安全限值。通过数值模拟,总结出氢气在室内环境下的泄漏扩散规律,可为氢气泄漏事故的处理消防安全设置提供依据。     

受限空间内湍流模型对气体扩散仿真结果的影响

针对受限空间内气体扩散问题,为研究不同湍流模型对气体扩散仿真结果的影响 ,选取FLUENT软件中工程应用较为广泛的湍流模型为研究对象,以相关气体扩散实验为 参考,构建数值仿真模型,在初始和边界条件相同的情况下采用不同的湍流模型对实验 过程进行数值模拟。在对模拟结果定量化分析方面,采用了Hanna等人提出的广泛应用 于重气扩散模型评价的误差分析方法,并结合了chang等人提出的有关模拟效果的统计 误差评判标准,通过计算模拟值与实验值之间的统计误差对比分析了各模型模拟效果。 结果表明,所选的5种Reynolds平均湍流模型模拟结果的统计误差指标均符合有效性评 判标准,模拟值总体上要高于实验值,并且Realizable k-ε模型的模拟效果要优于其 他模型。湍流模型的选用会对受限空间内气体扩散仿真结果产生影响,选择合适的湍流 模型有助于提高数值仿真的精度。     

海底管道泄漏原油扩散漂移规律数值模拟

针对浅海输油管道泄漏原油扩散漂移问题,依据计算流体动力学理论,采用VOF模型和k－ε湍流模型来模拟多相流动,采用速度边界造波法和阻尼消波法来模拟波浪,建立洋流波浪环境下海底管道原油泄漏扩散漂移模型,对不同海洋环境、原油密度和泄漏量工况下的原油扩散漂移行为进行模拟,预测水下原油扩散上升路径、上浮到水面时间、溢油扩散范围以及水面溢油漂移速率等关键数据。研究结果表明:相对于静水、洋流和波浪等单一环境条件,在洋流波浪环境下泄漏原油的水下扩散范围更广、扩散上升速率更小、水面原油漂移速率更大;海洋环境对原油在水面的漂移速率影响较大,泄漏速率对原油的水下上升扩散速率影响较大;原油密度主要影响水下原油上升扩散过程,对水面原油漂移过程影响较小。     

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。     

输气管道高后果区蒸气云爆炸超压预测方法探究

为准确预测输气管道高后果区在发生蒸气云爆炸事故时的超压分布情况,对国内外运用较为广泛的蒸气云爆炸超压预测经验模型和数值模拟方法进行调研,并分别应用其对某输气管道全尺寸泄漏燃爆实验进行超压预测,结合实验数据和输气管道高后果区管理现状进行方法准确性和工程适用性分析。研究结果表明：基于等效TNT假设的Henrych模型、Mills模型和等效TNT当量数值模拟方法均不适合准确预测蒸气云爆炸超压,TNO多能法和混合气体数值模拟方法所预测的结果较为接近实验结果。TNO多能法使用简便且推广性强,但主观性较大,易高估或低估爆炸后果;混合气体数值模拟方法操作繁琐且推广性差,但分析结果精度较高。在对高后果区进行安全管控时,可结合TNO多能法与混合气体数值模拟方法同时对管道工况进行评估,确定TNO多能法的爆源强度等级,继而推广使用TNO多能法。该研究结果可在较大程度上保证评估的准确性并节约成本。     

城市燃气管网泄漏事故分析知识图谱构建及应用研究*

为深入认识燃气管网泄漏事故的发生发展机理,提高事故分析预测的自动化、智能化、数字化水平,利用知识图谱对燃气管网泄漏事故进行研究。在事故案例分析的基础上,从人-物-环-管的角度对燃气泄漏过程以及火灾爆炸次生事故的相关实体进行归纳梳理,对实体间的逻辑关系和非逻辑关系进行辨识,并对实体的属性进行分类,进而构建出较为全面的燃气管网泄漏事故知识图谱。在此基础上,搭建BP神经网络模型,基于已知实体或属性状态,预测相关联其他实体或属性的状态。研究结果表明:燃气管网知识图谱能够有效展示燃气管网泄漏事故发展的动态过程及相关要素,结合BP神经网络能够有效预测事故的发展路径及相关状态,从而提高燃气管网泄漏事故的分析预测水平与效率。     

穿越城市生活区的天然气管道泄漏连锁爆燃后果评估研究

为评估城市天然气管道泄漏连锁爆燃事故后果,基于计算流体力学(CFD)方法构建穿越城市区域的天然气管道泄漏连锁爆燃后果预测与评估模型,以某城市生活区域为例,在城市生活区域建筑物内风场流动计算的基础上,模拟风场作用下可燃气体在城市建筑物空间内的运移规律,预测可燃气云的积聚区域;考虑意外点火的情况,计算城市生活区域内可燃气云爆燃灾害特征,预测爆燃超压、热辐射和高温的影响。研究结果表明：由于建筑物之间的阻挡与反射作用,建筑物下风向有明显的低风速区域,并在一定时间段后扩散过程趋于稳定;在爆燃火焰作用下,高温和热辐射会造成建筑物部分钢结构发生失效变形。     

A mechanistic model for hydrocarbon plumes rising through water

For releases of hydrocarbons from a subsea pipeline, riser, or production facility, the shape of the plume rising through the water must be predicted prior to any assessment of gas dispersion, liquid pools, or fire above the water surface. The location and size of the plume at the water surface are key parameters for subsequent consequence modeling. A mechanistic model has been developed to predict the plume trajectory and size, based on mass and momentum balances and an empirical water entrainment ratio from the literature. With suitable physical property values available, the model is applicable to releases of gas and/or liquid hydrocarbons, predicting the vaporization and vapor expansion due to decreasing hydrostatic pressure as the plume rises through the water. Some validation of the model was obtained with 16 tests in a small-scale transparent tank. The data cover a wide range of flow rates, including both choked and unchoked flow. The predicted and measured trajectories (centerline displacement) agreed reasonably well. Predictions of the model are presented for three fluids. The model is valuable for assessing the consequences of underwater hydrocarbon releases, providing input for subsequent modeling of gas dispersion or liquid pools and pool fires.     

井喷硫化氢扩散分析

井喷有毒气体扩散对周围居民的危害很大[1],由于井场所位于的山区地形下垫面特殊,气体扩散的过程比较复杂,无法用普通的烟羽模式进行模拟,本文采用大涡模型以及贴体网格技术、卫星遥感技术,对某地区发生泄漏进行研究并进行三维数值模拟,模拟结果显示了气体扩散的时空分布以及对人员的危害,通过模拟结果,可以对井场地区的安全情况作出评价,能够对应急人员疏散策略及安全区域规划的制定提供帮助。     

公路隧道内CNG管束气瓶车泄漏天然气扩散CFD仿真

气体管束气瓶车是运输压缩天然气(Compressed Natural Gas, CNG)的重要工具,针对CNG管束气瓶车运输过程中在公路隧道内发生追尾导致泄漏问题,基于计算流体动力学CFD方法,建立CNG管束气瓶车遭追尾致泄漏后果预测与评估模型,对公路隧道内风场条件下泄漏天然气的扩散过程进行模拟与分析,研究CNG管束气瓶车泄漏天然气在隧道内的扩散规律和形成的危险区域范围。仿真结果表明:泄漏天然气扩散具有极速泄漏、外力作用、初期膨胀增长和稳定收缩等特征;喷射气云团能够覆盖肇事车辆前部,可能导致驾驶人员窒息或引发火灾、爆炸事故;实例工况下,泄漏气体扩散至稳态以后,形成爆炸极限浓度范围内的气云分布在肇事车辆前部1.5m至肇事车辆中部之间的区域;进行事故应急响应时,应封锁事故隧道,加强隧道内通风,在消防水枪的稀释掩护下对管束气瓶车进行堵漏作业。