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。     

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。     

深水内波条件下井喷原油扩散规律数值仿真分析

为研究深水内波条件下井喷原油扩散问题,基于计算流体动力学CFD方法,建立深水内波条件下的溢油扩散后果预测模型,研究深水溢油在内波流场中的扩散规律,评估溢油在内波流中的上浮时间、扩散距离等关键风险参数,探讨内波工况、井喷流量及海况条件对深水溢油扩散行为和后果的影响。研究表明:泄漏原油喷射涌入海水中形成射流和羽流,向下部海流出口方向偏移,上升至250m处原油破碎分散为小油滴,受内波剪切作用,扩散范围增大,并向上部海流出口方向偏移,溢出点位置位于泄漏口正上方附近;内波流速变化对原油运移至海面所需时间无明显影响,对横向扩散参数有较明显影响;泄漏速率变化对原油的溢出时间和横向扩散参数均有较明显影响;海况条件对原油溢出时间、运移过程和扩散范围均有较明显影响,其中内波条件下,井喷溢油造成的危害最大。     

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。     

高压天然气管道孔口泄漏扩散浓度与范围仿真探讨

天然气管道的泄漏容易引起火灾、爆炸、中毒、环境污染等恶性事故。建立输气管道泄漏扩散的合理模型是正确评估输气管道事故损失后果的关键技术之一。文中重点研究天然气泄漏与扩散过程机理,并对其中的高斯烟羽、烟团模型进行了修正。以某长输送管段的参数为例计算天然气压力管道的泄漏速度、流量、扩散浓度并且估算确定天然气的泄漏覆盖区域,探讨其扩散的影响范围。     

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。     

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。     

含硫输气管道泄漏扩散多气团叠加计算模型

为研究含硫气输送管道全管径断裂后的失效影响,提出管道泄漏后硫化氢扩散浓度的计算方法。将管道泄漏过程等效为多个瞬时泄漏气团等时间间隔的连续释放,考虑管道压力变化、风速对泄漏气团的质量、喷射高度的影响,基于高斯烟团模型,对泄漏气团扩散过程中变化的气体浓度进行叠加计算,建立任意时刻沿下风向硫化氢体积分数分布的计算方法。根据输气管道泄漏扩散规律,确定大气扩散参数、各气团质量和喷射高度等基本参数,并以含硫体积分数为10%的输气管进行实例计算。结果表明:地面空气中的硫化氢体积分数在管道泄漏后沿下风向先增大后减小,影响范围不断向下风向延伸;且管径、压力越大,硫化氢在地面的影响范围越广。     

复杂山区地形水利水电液氨施工泄漏研究

水电工程中液氨泄漏扩散对周围居民的危害很大,疏散区域划分成为重要的防护措施,但在复杂地形条件下确立准确的疏散区域成为难题。为解决这一难题,通过现场调查所得数据,采用大涡模拟方法对泄漏气体扩散进行模拟,分析氨的泄漏扩散在大气中的扩散规律,研究泄漏气体的扩散动力学演化过程及影响范围,计算泄漏事故中不同时间段影响范围,得出时间序列上的爆炸危险区域和有毒气体影响区域,最后总结分析制定安全防护距离的影响因素,为周边居民安全防护策略提供参考。     

石化企业毒气泄漏的数值模拟与危险性评估

针对石化企业中可能造成毒气泄漏的装置或设备,从工程实际出发,建立了3种毒气泄漏和扩散的数值模型.根据模型和给定的扩散条件,对毒气的泄漏和扩散进行数值模拟和动态仿真,得到毒气泄漏后人员死亡区域、危险区域和有感区域的动态变化结果.对石化企业有毒物质源进行毒性分级,并确定了相应的毒气泄漏危险性参数.通过给定的装置和设备泄漏危险性参数计算得到毒气泄漏的危险性矩阵,进而对石化企业有毒有害气体泄漏进行危险性评估.     

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。     

球罐内甲烷气体泄漏形成的可燃气云规律研究

基于计算流动动力学(CFD)方法,以Fluent软件为平台,以大连新港某球罐区为研究对象,建立真实尺寸的球罐内可燃气体泄漏扩散数值模拟模型,分析甲烷扩散规律及可燃气云尺度.提出采用可燃气云稳定状态时的水平方向长度Lmax、竖直方向高度Dmax作为尺度的衡量参数,用以评估可燃气云区域的大小.探讨初始压力、泄漏孔径、正风向风速对尺度参数Lmax和Dmax的影响规律,并对比可燃气体种类对尺度参数的影响.结果表明:甲烷以临界状态通过泄漏孔时,初始压力对Lmax和Dmax的影响可以忽略;Lmax和Dmax随泄漏孔径增加而线性增大,但随正风向风速增加而线性减小;相同泄漏扩散条件下,氢气泄漏引起的可燃气云范围最大,甲烷次之,丙烷最小.     

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。     

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。     

山谷地区埋地天然气管道泄漏三维数值模拟

针对山谷地区埋地天然气泄漏问题,建立三维泄漏模型,将管道模型建立于土壤下,给出山谷地区风随海拔高度变化边界条件,在此基础上对山谷地区高含硫天然气泄漏问题进行六组模拟。结果表明:六组工况下硫化氢的危险区域全部大于甲烷的危险区域,突显出天然气泄漏问题中硫化氢的危害性之大。风速对危险范围的影响很大,在山谷地形条件下危险范围大小与风速大小成反比,且风速越大,危险范围越小。三个泄漏口方向中漏口斜向上45°时空气中泄漏气体的总质量分数最大,扩散的范围最大,但部分范围内并未达到泄漏气体的危险浓度,危险范围比实际扩散范围要小,漏口斜向下45°时危险区域是最大的,漏口水平介于中间。     

核电厂厂区实验室乙炔泄漏扩散过程的数值模拟

为了得到核电厂厂区实验室乙炔在复杂气流环境下的泄漏扩散规律及事故的危险范围,在建立了乙炔实际泄漏环境条件下物理模型的基础上,采用CFD对厂区实验室两类乙炔泄漏扩散过程进行数值模拟,得到乙炔泄漏后的室内扩散过程,以及在不同时间内室内存在爆炸极限的区域和达到爆炸极限的范围,同时给予了讨论和分析.研究结果为实验室可燃气体探测、管道布局与实验室风口设计配合、泄漏实验室危险处置和安全技术管理提供理论依据.     

海底管道泄漏油气扩散规律数值仿真与对比分析

为研究海底原油与天然气单相泄漏扩散规律的差异性,合理制定应急响应策略,减小事故损失,针对海底管道失效所致的原油与天然气泄漏问题,基于计算流体动力学CFD方法,建立海底油气管道泄漏事故后果预测与评估模型,对特定事故场景下的海底原油与天然气泄漏扩散过程进行模拟与分析,从泄漏扩散过程、工况因素影响、泄漏后果及应对策略4个方面对比原油与天然气的泄漏扩散特性。结果表明:相同工况下,海底原油与天然气在泄漏速率、扩散时间、扩散形态及水平最大扩散距离方面存在显著差别;与天然气相比,原油泄漏扩散行为对工况因素具有更高的敏感性;原油泄漏会引发严重的环境灾害,天然气泄漏则会影响海上结构物的稳定性及引发火灾爆炸事故,据此需合理制定具有针对性的应对策略。     

天然气管道非稳态泄漏扩散的数值模拟

针对长输天然气架空管道泄漏问题,综合考虑风速随海拔变化的边界条件、管道管形及泄漏方向等因素,建立非稳态泄漏模型,对不同管道泄漏压力和不同天然气浓度边界的天然气非稳态泄漏扩散进行了数值模拟。结果表明:在天然气向下泄漏的工况下,天然气气团主要在地面积聚,呈无规则的扩散;天然气管道泄漏压力与气体泄漏扩散速度成正比,与天然气浓度边界达到稳定所需时间成反比:不同泄漏压力下天然气扩散稳定后的扩散距离及泄漏影响面积大致相同;天然气浓度边界越小,达到稳定所需时间越长。     

液化和压缩气体半球形扩散模型集的构建和应用

国内外液化和压缩气体的泄漏爆炸事故屡见不鲜,针对其性质和短时间近地面扩散的特点,总结、修正和扩展了瞬时泄漏下的平均半球形扩散模型。对于连续泄漏,利用数学积分理论建立了静风下的半球形扩散模型。接着对有风时的情况进行建模推导,将风速和气体自身扩散速度进行矢量合成,得到了半椭球形扩散和半椭圆锥与1/4椭球体组合扩散下气体的质量浓度和质量浓度变化趋势。最后用实例验证了该模型的先进性。该模型集能较好地反映液化和压缩气体泄漏后不同泄漏情况、时间、近地面区域和风速下的扩散浓度空间分布及其动态变化过程,为事故后果预估和应急救援决策提供参考。     

输气管道小孔泄漏压力响应实验与仿真研究

管道压力是进行泄漏速率和泄漏后果模拟的重要参数,搭建泄漏及气体扩散测试实验系统,并建立实验系统的Flowmaster模型,通过实验数据对模型进行验证,验证结果表明,可以基于Flowmaster模型预测小孔泄漏条件下管道内的压力响应情况,并且能够较为精确的计算泄漏稳定后管内的平均压力,为小孔模型准确计算泄漏速率提供理论依据。