室內(nèi)天然氣泄漏三維濃度場(chǎng)的CFD模擬

摘 要

摘要：以廚房天然氣泄漏為例，以三維κ-ε湍流模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)為分析手段，以室內(nèi)各特定空間點(diǎn)和空間面為研究對(duì)象，對(duì)天然氣泄漏后的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行模擬
摘要：以廚房天然氣泄漏為例，以三維κ-ε湍流模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)為分析手段，以室內(nèi)各特定空間點(diǎn)和空間面為研究對(duì)象，對(duì)天然氣泄漏后的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行模擬和分析。由于天然氣密度小于空氣密度，天然氣泄漏后在豎直方向的擴(kuò)散速度大于在水平方向的擴(kuò)散速度，易在房間上部積聚。天然氣泄漏達(dá)到爆炸極限的體積分?jǐn)?shù)分布區(qū)域是一個(gè)有一定厚度的水平區(qū)域。
關(guān)鍵詞：室內(nèi)天然氣泄漏；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬；濃度場(chǎng)
CFD Simulation of Three.dimensional Concentration Field of Indoor Natural Gas Leakage
LI Baizhan，ZHANG Furen
Abstract：Taking natural gas leakage in kitchen for example，the volume fraction of leaked natural gas at indoor given spatial points and surface is simulated and analyzed by CFD software based on the three-dimensionalκ-εturbulence model.Since the density of natural gas is less than that of air，the diffusion rate of lcaked natural gas in vertical direction is greater than that in horizontal direction，and it is easy to accumulate at upper part of chamber.The distribution area of leaked natural gas with the volume fraction reaching the explosion limit is a level area with certain thickness.
Key words：indoor natural gas leakage；CFD simulation；concentration field
1 概述
   通過(guò)大量建筑室內(nèi)燃?xì)庑孤┮l(fā)火災(zāi)的案例調(diào)查和分析得知，燃?xì)庑孤┖螅S著濃度的增加，會(huì)形成一個(gè)局部著火爆炸區(qū)域。即使整個(gè)環(huán)境空間濃度沒(méi)有達(dá)到爆炸極限，這個(gè)局部著火爆炸區(qū)域遇到火源，仍會(huì)產(chǎn)生局部爆炸燃燒，并可能點(diǎn)燃附近的可燃物，引起火災(zāi)[1]。因此，對(duì)燃?xì)庑孤U(kuò)散[2～7]進(jìn)行理論研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)為分析手段，以某二室一廳的建筑內(nèi)特定空間點(diǎn)和空間面為研究對(duì)象，分析天然氣泄漏后，這些空間點(diǎn)和空間面的天然氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。
2 物理模型的建立
    以該二室一廳建筑內(nèi)的廚房天然氣泄漏為例，建筑平面布置見(jiàn)圖1，尺寸單位為mm，房間高3.3m。按照該建筑建立物理模型，天然氣泄漏點(diǎn)設(shè)定在廚房地表面，在室內(nèi)設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖2，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地面1.6m，圖2中的箭頭表示天然氣泄漏后的擴(kuò)散方向。設(shè)室內(nèi)環(huán)境溫度為27℃，壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，墻壁為絕熱，房間處于封閉狀態(tài)。假定天然氣泄漏孔的直徑為25mm，泄漏速度為3m/s。
 

3 數(shù)學(xué)模型的建立
    Fluent軟件是目前比較流行的CFD軟件，其生成程序把相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算變得容易和輕松。后處理軟件Tecplot是繪圖和數(shù)據(jù)分析的通用軟件，能直接導(dǎo)入Fluent格式的數(shù)據(jù)文件，具有強(qiáng)大的后處理功能，與Fluent軟件結(jié)合起來(lái)完成流體的計(jì)算和數(shù)據(jù)的處理。筆者使用Fluent軟件進(jìn)行模擬，利用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型作為湍流模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，分析天然氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。
4 模擬結(jié)果分析
    保持天然氣的泄漏速度不變，對(duì)天然氣泄漏后室內(nèi)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和空間平面的天然氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。
    ① 7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬結(jié)果
    監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、4的模擬結(jié)果見(jiàn)圖3～5，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、5、6、7的天然氣體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)與圖4、5相似。
 

由模擬結(jié)果可知，在泄漏后的前300 S內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的天然氣體積分?jǐn)?shù)先增大后減小，因?yàn)樵摫O(jiān)測(cè)點(diǎn)鄰近泄漏孔，氣流受到天然氣泄漏速度的擾動(dòng)形成了渦流。其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于處在封閉房間，未受到干擾因素的影響，天然氣體積分?jǐn)?shù)的變化曲線(xiàn)形狀幾乎相同，只是變化在時(shí)間上有先后，且當(dāng)時(shí)間達(dá)到約5400s時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)天然氣的體積分?jǐn)?shù)基本都達(dá)到了爆炸下限。
② 空間平面的模擬結(jié)果
模擬了天然氣泄漏后，x=1.35m平面、z=1m(距離地面1m)平面、z=1.6m平面上的天然氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間t的變化規(guī)律。天然氣泄漏1800、3600、5400s后x=1.35m平面上的天然氣體積分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖6。由模擬結(jié)果可知，天然氣泄漏擴(kuò)散后的體積分?jǐn)?shù)隨與地面垂直距離的增大而增大。不同時(shí)刻天然氣泄漏擴(kuò)散的形態(tài)基本相似，但天然氣的體積分?jǐn)?shù)和所覆蓋的危險(xiǎn)區(qū)域變化較大。

分析發(fā)現(xiàn)，天然氣在空氣中的擴(kuò)散速度非常快，在房間上部更容易積聚，這主要是由于天然氣密度比空氣小。此外，天然氣泄漏后，隨著濃度的增加，會(huì)形成一個(gè)局部著火爆炸區(qū)域，即使整個(gè)環(huán)境空間濃度沒(méi)有達(dá)到爆炸極限，當(dāng)這個(gè)區(qū)域遇到火源時(shí)仍會(huì)局部著火，引起火災(zāi)。
     不同時(shí)刻z=1m和z=1.6m平面上的天然氣體積分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖7。由圖7可知，由于天然氣的密度比空氣小，天然氣泄漏后在垂直方向的擴(kuò)散速度明顯大于在水平方向的擴(kuò)散速度。天然氣在水平方向擴(kuò)散的過(guò)程中，由于受到墻壁等障礙物的阻擋區(qū)，有利于人們?cè)诎l(fā)生天然氣火災(zāi)初期爭(zhēng)取時(shí)間疏散逃生和滅火救援。天然氣在封閉狀態(tài)下泄漏時(shí)，約5400s后z=1.6m平面上的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸極限，且爆炸區(qū)域是一個(gè)有一定厚度的水平區(qū)域，這為人們?cè)谔烊粴庑孤┖蟛扇∮行У拇胧┨峁┝撕芎玫囊罁?jù)。

5 結(jié)論
   ① 用CFD模擬和Tecplot后處理方法相結(jié)合，可以得到天然氣泄漏后的擴(kuò)散情況及室內(nèi)的濃度場(chǎng)，為天然氣泄漏后設(shè)置警戒區(qū)和疏散區(qū)提供了理論基礎(chǔ)。
    ② 模擬結(jié)果顯示，由于天然氣密度小于空氣密度，天然氣泄漏后在垂直方向的擴(kuò)散速度明顯大于在水平方向的擴(kuò)散速度。
    ③ 模擬得到了室內(nèi)天然氣泄漏三維濃度場(chǎng)，為安全管理、事故調(diào)查、工程設(shè)計(jì)以及防災(zāi)救災(zāi)等提供依據(jù)。
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(本文作者：李百戰(zhàn)1 張甫仁1、2 1.重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400045；2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院 重慶 400074)