摘　要：为了给室内燃气泄漏爆炸事故的预防和事故后果评价提供理论依据，借助计算流体力学技术，对密闭空间内燃气泄漏扩散的非稳态流场进行了数值模拟，着重考察了燃气爆炸危险区域随时间和空间的分布特征。研究结果表明，在泄漏初始阶段，爆炸危险区域位于泄漏源上部。随着泄漏和扩散的持续发展，爆炸危险区域整体下移，最终迁移至地面附近。爆炸危险区域范围随时间由小变大，再由大变小。爆炸危险区域在房间下部的持续时间明显长于房间中上部。

关键词：燃气;泄漏;爆炸极限;扩散

0 引言

燃气管线是城市公共基础设施的重要组成部分，是城市生命线之一。近年来，由于部分城市燃气管线投入使用年限较长，处于浴盆曲线后期，极易诱发燃气管线的泄漏及次生灾害。室内燃气泄漏扩散是一个典型的流体力学现象，目前已有大量研究成果^[1－3]。实验是受限空间燃气泄漏扩散的主要研究手段，但实验常受到成本、安全性、单一环境和尺度效应等因素的影响而具有明显的局限性。经验模型也是研究燃气泄漏扩散的有效手段之一，如高斯烟羽模型、高斯烟团模型及BM模型等^[4－7]。这些模型能够较好地模拟燃气在大气中的扩散，但对复杂结构内的燃气泄漏扩散则显得较为吃力。大量研究结果表明^[8－10]，基于计算流体力学(CFD)技术的数值模拟已经能够获得较为真实的泄漏扩散非稳态流场，且随着计算技术的快速发展，数值模拟的精度和准确性正在进一步提高。燃气的扩散范围和浓度分布是泄漏事故分析及事故后果评价的基础和参考依据。已有研究表明，由于燃气密度小于空气，燃气泄漏后以向上扩散为主，且泄漏量、泄漏时间、通风口、通风风速及障碍物等因素对室内燃气泄漏扩散有显著影响^[11－14]。燃气泄漏后与空气混合达到爆炸极限后，一旦遇到点火源，将引发燃气爆炸事故。因此，燃气浓度处于爆炸极限范围内的爆炸危险区域分布规律则显得尤为重要，而这一问题目前还没有得到足够重视。本文借助CFD技术，对密闭空间燃气泄漏扩散过程进行了数值研究，着重考察了爆炸危险区域随时间和空间的分布特征。

1 研究方法

数值模拟基于流体力学守恒方程组，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和化学组分守恒方程。采用标准k－ε湍流模型来描述气体的湍流流动。结合实际民用建筑的厨房尺寸，将一密闭空间为作为研究对象，该空间长、宽、高分别为4m(Z方向)、2m(X方向)、3m(Y方向)，如图1所示。假设厨房燃气管道上一直径1cm的圆形泄漏孔位于墙壁附近，泄漏孔中心坐标为(0，1，2)。结合我国城镇民用建筑结构燃气管道的工作压力，假定本文研究的燃气管道工作压力为恒定值2500Pa(表压)，泄漏孔为连续泄漏，且泄漏孔泄漏流量为恒定值。选取房间z=2m的剖面作为研究对象，着重考察爆炸危险区域的迁移规律，并选取了该剖面上不同高度的五个观测点(G1－G5)来分析燃气浓度的时空分布特征，这五个观测点的坐标依次为(1，0.5，2)、(1，1，2)、(1，1.5，2)、(1，2，2)、(1，2.5，2)。计算时考虑重力加速度9.81m·s^-2。燃气的主要成分为甲烷，在计算中假设燃气中甲烷体积分数为100%。

采用不规则六面体网格对空间离散，在泄漏孔附近对网格进行加密。假设壁面为绝热、光滑和刚性的，室内初始温度和压力分别为300K和101325Pa。泄漏孔设置为质量流量进口条件，其值根据如下气体流小孔泄漏模型^[15]计算得到。气体流小孔泄漏模型中泄漏质量流量的计算首先要确定泄漏时气体流动属于声速流动还是亚声速流动，可用如下临界压力比来判断：

式中，β为临界压力比，p₀为环境绝对压力，p_e为泄漏口燃气的临界压力，κ为燃气等熵指数。κ是温度的函数，理想气体的κ可近似为定值，对于天然气，κ可近似取1.29。假设p₁为管道内燃气的绝对压力，当p₀/p₁＞β时，燃气在泄漏口处属于亚声速流动，反之为声速流动。根据本文燃气管道工作压力，可确定泄漏时气体流动属于亚声速流动，因此燃气泄漏的质量流量可通过式(2)计算获得：

式中，q_m为泄漏强度，C_g为气体泄漏系数，A为泄漏口面积，M为燃气的摩尔质量，R为摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)，T₁为容器内的燃气温度，Z为压缩因子。气体泄漏系数与泄漏口的形状有关，本文中圆形泄漏口取1.00。压缩因子Z取常数1。经计算，本文泄漏孔质量流量约为0.1135kg·s^-1，将该值设置为进口边界条件。选择0.01s作为非稳态计算的固定时间步长，每个时间步内各迭代方程残差小于10^-5时，认为该时间步迭代结束。当室内所有位置的燃气浓度均超过甲烷爆炸上限时，该瞬态计算停止，计算完成。

采用有限体积的离散方法，并采用改进的SIM-PLE算法解决瞬态流场中压力与速度间的耦合问题。基于商用CFD软件FLUENT对该泄漏扩散过程进行了数值模拟。

2 结果与分析

燃气的主要成分为甲烷，而甲烷与空气混合后，当甲烷浓度处于4.6%－14.3%的爆炸极限范围^[16]内时遇到点火源才有可能发生爆炸。为了研究泄漏燃气爆炸危险区域的迁移特征，图2给了不同时刻观测剖面上燃气浓度约在5%－15%时的区域。在泄漏初始阶段，爆炸危险区域位于泄漏孔上部。随着泄漏扩散的发展，房间上方充满大量燃气，燃气向下运移，危险区域整体向下移动，最终迁移至地面附近。同时，爆炸危险区域范围随时间呈现由小变大，再由大变小的变化过程，在初始泄漏阶段，气体对流扩散和分子运移导致燃气从泄漏口向周围区域扩持续扩散，形成爆炸危险区域范围由小变大的变化过程;随着燃气泄漏量的增加和湍流扩散的增强，绝大部分区域的燃气浓度持续上升，燃气不断堆积，爆炸危险区域范围又呈现由大变小的变化过程。此外，位于房间下半部的爆炸危险区域的持续时间明显长于房间上半部。这说明，从爆炸危险区域持续时间来看，房间下部区域更容易引发燃气爆炸。各观测点燃气浓度随时间的变化如图3所示。各观测点燃气浓度随时间均呈曲线上升趋势，且爆炸危险区域最先达到房间顶部(观测点G5约在2.47s时刻到达)，然后逐渐向下迁移，越向下的观测点，其爆炸危险区域到达得越晚(观测点G1约7.5s时刻到达)。

3 结论

泄漏燃气爆炸危险区域的分布特征是分析燃气泄漏扩散及评价事故后果的基础和参考依据。在泄漏初始阶段，爆炸危险区域位于泄漏源部。随着泄漏的不断发展，爆炸危险区域整体下移，最终迁移至地面附近。爆炸危险区域范围随时间由小变大，再由大变小。爆炸危险区域位于房间下部的持续时间明显长于房间中上部。

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(本文作者：庞磊^1，2，吕良海¹，刘晨³，马秋菊²，程露⁴ 1．北京市劳动保护科学研究所、2．北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室、3．首都经济贸易大学安全与环境工程学院、4．北京首安信息技术有限公司)