CNG長管拖車隧道泄漏擴(kuò)散CFD仿真研究*

焦振濤 趙建平

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 南京 211816)

0 引言

CNG長管拖車作為天然氣道路運(yùn)輸重要工具，廣泛活躍于中小型城市及天然氣管網(wǎng)受限區(qū)域。伴隨越來越多的CNG長管拖車投入運(yùn)行，由于設(shè)備老化、機(jī)械疲勞、交通事故、違章操作等原因，天然氣在道路運(yùn)輸過程中事故數(shù)量急劇增加[1]。天然氣是易燃易爆氣體，一旦泄漏將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，因此針對CNG長管拖車運(yùn)輸過程中突發(fā)性泄漏擴(kuò)散分析研究愈發(fā)重要。隧道是一個相對封閉和狹隘的空間，一旦發(fā)生泄漏容易造成天然氣堆聚，給事故搶險救援帶來困難。因此，有必要針對CNG長管拖車在隧道環(huán)境下的泄漏擴(kuò)散規(guī)律展開研究，從而為相關(guān)事故提供應(yīng)急支持。

當(dāng)下對于危險氣體道路運(yùn)輸失效事故方面的研究主要集中于事故相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析。陳杰等[2]通過統(tǒng)計2004年10月至2007年12月北京、重慶、上海等16個城市CNG加氣站的上百起事故，對CNG泄漏事故后果和財產(chǎn)損失展開了分析研究。近年來關(guān)于道路運(yùn)輸天然氣泄漏事故的研究大多集中于液化天然氣(LNG)，針對壓縮天然氣(CNG)失效泄漏后果方面研究較少[3]。

鑒于此，本文運(yùn)用計算流體動力學(xué)的Fluent軟件，構(gòu)建CNG泄漏擴(kuò)散模型，開展CNG長管拖車在隧道內(nèi)泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬，主要考慮隧道風(fēng)速、泄漏口徑、后方車距對天然氣在隧道環(huán)境擴(kuò)散規(guī)律的影響。

1 構(gòu)建CNG泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

天然氣的擴(kuò)散機(jī)理需要滿足動量守恒、能量守恒、質(zhì)量守恒等3個基本方程。由于天然氣是一種包含甲烷、乙烷、丙烷等物質(zhì)的多組分混合介質(zhì)，故而其擴(kuò)散過程還需遵循組分守恒方程。4個基本守恒方程[4]可統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；φ為通用變量；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項。

1.2 湍流模型

由于CNG長管拖車在儲運(yùn)天然氣時有較高的裝載壓力，故失效泄漏發(fā)生時，天然氣會以較高的速度從氣瓶噴射而出，整個泄漏過程為湍流運(yùn)動。k-ε模型在當(dāng)下湍流數(shù)值模擬中有頗為廣泛的應(yīng)用，包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、重整化群k-ε模型以及現(xiàn)實k-ε模型。TAUSEEF S M等[5]研究表明，現(xiàn)實k-ε模型對高速射流運(yùn)動有較好的模擬效果和計算精度。因而，采用現(xiàn)實k-ε模型對CNG長管拖車的泄漏擴(kuò)散行為進(jìn)行計算[6]，方程為

(2)

(3)

式中，k為湍流動能；ε為湍流耗散率；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能；Gb為由浮力引起的湍動能；YM為可壓湍流脈動擴(kuò)張對整體耗散功率的影響。

1.3 泄漏源模型

CNG長管拖車失效后的氣體泄漏速率主要取決于氣體的流動狀態(tài)，故而計算天然氣泄漏速率之前，首先要判斷泄漏時氣體流動狀態(tài)為音速流動還是亞音速流動。當(dāng)式(4)成立，則氣體流動狀態(tài)為音速流動，反之則為亞音速流動[7]。

(4)

式中，p0為大氣壓力，Pa；p為介質(zhì)壓力，Pa；k為氣體絕熱指數(shù)。

氣體呈音速流動時，其泄漏速率Q計算方法為

(5)

式中，Cd為氣相泄漏系數(shù)，由泄漏裂口形狀決定，長方形取0.90，三角形取0.95，圓形取1.00；A為泄漏口面積，m2；M為相對分子質(zhì)量，kg/mol；R為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為介質(zhì)儲運(yùn)溫度，K。

2 CFD模型建立

2.1 問題描述

本文以某交通隧道為例建立物理模型，隧道長140 m，內(nèi)邊界寬10.3 m，高6.5 m。CNG長管拖車相關(guān)數(shù)據(jù)選取中國特檢院提供的車輛信息，具體如表1所示。

表1 CNG長管拖車基本參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)上述問題，利用ICEM針對不同工況建立相應(yīng)物理模型以及劃分網(wǎng)格，取用四面體與六面體結(jié)合的方式對整個流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。在泄漏口及車輛附近等梯度變化較大區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密操作，自泄漏口至后方車輛取用漸變稀釋處理，確保達(dá)到較好計算效果及模擬精度。

(a)整體網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件

邊界條件的合理設(shè)定對于Fluent的精確模擬尤為重要，直接關(guān)系到殘差曲線的收斂效果和計算模擬的精確合理性，具體設(shè)定如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)定

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

天然氣是一種以甲烷為主要成分的烷烴類易燃易爆混合氣體，若道路運(yùn)輸過程中發(fā)生失效泄漏，極易導(dǎo)致燃燒爆炸。天然氣的危險特性主要體現(xiàn)在窒息性、易燃性、易爆性等3個方面，天然氣在空氣中的窒息濃度為25%，燃爆極限為5.3%～15%，根據(jù)天然氣體積分?jǐn)?shù)的分布可將危險區(qū)域劃分為窒息危險區(qū)和燃爆危險區(qū)。相比于窒息濃度、燃爆上限，天然氣的燃爆下限最低，擴(kuò)散區(qū)域最大，因此本文以天然氣在空氣中體積分?jǐn)?shù)5.3%建立等值面，研究CNG長管拖車泄漏天然氣的過程，分析天然氣擴(kuò)散危險區(qū)域分布。

3.1 風(fēng)速對泄漏擴(kuò)散的影響

選取后方車距4 m，泄漏口徑80 mm為例，分別對風(fēng)速2，4，6，8 m/s等4種工況下CNG長管拖車在隧道失效泄漏天然氣展開計算模擬，分析不同風(fēng)速環(huán)境下天然氣擴(kuò)散體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，如圖2所示。

(a)u=2 m/s

由圖2可以看出，空氣流動可促進(jìn)天然氣在隧道的擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時，天然氣擴(kuò)散危險區(qū)域最小，危險濃度僅到達(dá)后方車輛前側(cè)。伴隨風(fēng)速自2 m/s逐步增大至6 m/s，天然氣擴(kuò)散危險區(qū)域不斷增大，且在風(fēng)速為6 m/s時危險區(qū)域達(dá)到最大，近乎將后方車輛完全覆蓋。隨著風(fēng)速繼續(xù)增大至8 m/s，危險區(qū)域不斷減小。因此，增大風(fēng)速有利于CNG長管拖車隧道泄漏天然氣的擴(kuò)散，但是存在6 m/s的危險風(fēng)速。

3.2 泄漏口徑對泄漏擴(kuò)散的影響

選取后方車距4 m，危險風(fēng)速6 m/s為例，分別對泄漏口徑為40，60，80 mm等3種工況下CNG長管拖車在隧道失效泄漏天然氣展開計算模擬，分析不同泄漏口徑下天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，如圖3所示。

(a)d=40 mm

由圖3可以看出，天然氣在隧道泄漏擴(kuò)散危險區(qū)域大小與泄漏口徑呈正相關(guān)。泄漏口徑直接影響CNG長管拖車的泄漏速率，進(jìn)而影響天然氣的擴(kuò)散范圍以及危險區(qū)域大小。泄漏口徑為40 mm時，天然氣擴(kuò)散危險區(qū)域最小，伴隨泄漏口徑的增大，CNG長管拖車的泄漏速率逐步提升，導(dǎo)致天然氣擴(kuò)散范圍和危險濃度區(qū)域不斷變大。當(dāng)泄漏口徑為80 mm時，危險區(qū)域近乎將后方車輛全面覆蓋。

3.3 前后車距對泄漏擴(kuò)散的影響

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在實際工程中CNG長管拖車失效泄漏口徑大多在60 mm以下。因此，選取泄漏口徑60 mm，危險風(fēng)速6 m/s對CNG長管拖車在隧道環(huán)境下后方安全車距展開模擬研究。分別對后方車距為4，6，8 m等3種工況下CNG長管拖車在隧道失效泄漏天然氣展開計算模擬，分析不同車距下天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，如圖4所示。

(a)l=4 m

由圖4可以看出，后方車輛會阻礙天然氣的泄漏擴(kuò)散，造成危險區(qū)域增大。在圖4(a)和圖4(b)中，天然氣體積分?jǐn)?shù)5.3%等值面均有頸縮現(xiàn)象發(fā)生，這是由于天然氣自泄漏口噴射而出，體積分?jǐn)?shù)隨距離增加而不斷減小，但由于后方車輛的阻礙作用，后車前端形成氣體低速積壓區(qū)域，導(dǎo)致天然氣在后車前側(cè)大量堆積，故而產(chǎn)生危險區(qū)域頸縮現(xiàn)象。后方車距為4 m時，危險區(qū)域?qū)蠓杰囕v有較大的覆蓋面積；后方車距為6 m時，危險區(qū)域僅覆蓋至后車前側(cè)；后方車距為8 m時，后方車輛完全脫離天然氣泄漏擴(kuò)散危險區(qū)域。

4 結(jié)論

CNG長管拖車作為道路運(yùn)輸天然氣承壓設(shè)備，運(yùn)行過程中不可避免需要經(jīng)過一些特殊場景，故而合理有效預(yù)測CNG長管拖車在隧道工況泄漏天然氣擴(kuò)散規(guī)律，對確保天然氣安全道路運(yùn)輸和CNG長管拖車隧道突發(fā)性泄漏事故應(yīng)急搶險尤為重要。本文基于CFD原理，運(yùn)用Fluent建立CNG長管拖車在隧道泄漏天然氣擴(kuò)散模型，研究隧道風(fēng)速、泄漏口徑及后車間距對天然氣擴(kuò)散的影響，結(jié)論如下：

(1)空氣流通有利于天然氣擴(kuò)散，伴隨風(fēng)速增加，天然氣擴(kuò)散危險區(qū)域先增大后減小，且在風(fēng)速6 m/s時危險區(qū)域最大，故而風(fēng)速6 m/s為CNG長管拖車在隧道泄漏天然氣擴(kuò)散的危險風(fēng)速。鑒于此，實際工程搶險中，可以通過向隧道通風(fēng)，加大隧道風(fēng)速，促進(jìn)天然氣的擴(kuò)散，降低天然氣體積分?jǐn)?shù)，減小危險區(qū)域面積，但需避開6 m/s危險風(fēng)速。

(2)隧道風(fēng)速、泄漏口徑、后車間距等3種因素均會對天然氣擴(kuò)散危險區(qū)域分布產(chǎn)生一定影響。其中泄漏口徑對危險區(qū)域大小影響最為明顯，泄漏口徑越大，天然氣的擴(kuò)散范圍以及危險區(qū)域越大。所以在工程應(yīng)用中，應(yīng)加強(qiáng)CNG長管拖車的安全防護(hù)，建立健全CNG長管拖車操作規(guī)程和管理制度，通過避免或減小泄漏口徑來預(yù)防CNG長管拖車在行駛過程中失效泄漏天然氣事故的發(fā)生。

(3)后方車輛會阻礙天然氣的擴(kuò)散，導(dǎo)致天然氣堆積，且車間距越小阻礙現(xiàn)象越明顯。當(dāng)車距<6 m時，后方車輛前端會被天然氣危險區(qū)域所覆蓋，若后方車輛未能及時熄火，極易造成火災(zāi)爆炸事故。因此在隧道行駛過程中，車輛應(yīng)與CNG長管拖車保持安全車距≥8 m，且一旦發(fā)生泄漏立即熄火，迅速移動至車輛上風(fēng)口。