城市直埋燃气管道泄漏沿土壤扩散模拟研究

摘要

建立了城市中压天然气管道小孔泄漏后在土壤中扩散的三维数值模型,采用CFD软件对泄漏天然气在壤土中的扩散过程进行了数值模拟,对比分析了不同土壤中天然气速度、质量分数的变化规律.研究结果表明:泄漏天然气在壤土中的流速场和压力场在极短的时间内(100 s内)达到稳定的分布状态.泄漏孔附近存在较大的速度梯度和压力梯度,远离泄漏孔处,天然气的扩散速度非常缓慢.在泄漏孔附近,天然气在压力差和体积分数差的作用下对流扩散,形成了一个垂直不对称高浓度区域,管道上方体积分数大于下方;在远离泄漏孔的壤土区域内,只有体积分数差引起的分子扩散,天然气呈同心扩散.随着泄漏时间的增加,危险半径和危险区域在逐渐扩大.在壤土中,当管道直径为100 mm,压力为0.4 MPa,泄漏孔直径为10 mm时,泄漏100 s时危险半径约为0.4m,30 min时危险半径约为1.2m,60 min时危险半径约为1.5m.天然气体积分数变化沿管长方向呈高斯分布,泄漏孔上方体积分数最高.建议在直埋天然气管道定位泄漏点时,打孔位置为管道上方0.5m高度.壤土中天然气报警时间与扩散距离之间成幂函数关系,根据该拟合公式可逆向预测天然气管道泄漏时间,从而为燃气事故风险评估提供理论依据.土壤种类对天然气泄漏扩散过程起着关键作用,天然气在不同类型的土壤中扩散速度由高到低为粉质沙土、壤土、黏土.