双层管道夹层内泄漏天然气的扩散特性分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

20世纪70年代末，国外出现了-种双层管道，被称为双包容管道 (Double Contain.Ment Piping)。双层管道由于外层的保护作用，天然气只在夹层中扩散，泄漏结果为 只漏不爆 ”，起到防爆抑爆的作用。

国内双层管道在天然气输送过程中应用和研究较少，因此，双层管道的夹层内泄漏天然气扩散过程有待于进-步分析。

Cumber和 Cleaver[1 结合小尺度物理模型、全面的实验、简单的数学模型和计算流体动力学(CFD)模型来研究高压天然气管道泄漏过程的流动情况，预测和验证了大部分气体的泄漏浓度。针对大孔模型的流动状况 ，Montiel等人 2 认为，当管内气体为亚临界流动时。在泄漏孔处是临界流等熵流动或亚临界流运动；当管内气体为临界流动时，孔口处为临界流动。

Jo和Ahn3 基于泄漏速度、气体射流、热流等因素建立射流扩散模型来估计危险区域。Cormier等人 运用计算流体动力学 (CFD)建立 LNG释放模型，用于灵敏度分析参数，评估燃烧限度距离和浓度水平的影响，对湍流模型进行了分析和比较。Cloete等人 建立3D、瞬变、数学模型模拟了海底天然气管道破裂时造成烟羽和自由面行为，使用流体体积模型(VOF)和离散相模型 (DPM)耦合的方法来解释多相方面的情况。席学军 采用合理的假设改进 CFD算法，以求适用井喷的数值模拟，计算出井喷发生后的场的时空分布。朱渊等 [ 计人管道瞬态泄漏质量和气体喷射对扩散的影响；利用 DEM数据和曲线拟合方法建立三维地形模型：采用分区域的网格划分方法和近地面网格加密手段划分出全区域结构体网格；使用大涡模拟对气体扩散过程进行模拟。大部分文献都是研究大空间的天然气泄漏扩散过程 [8-10]9只有少数是对受限空间天然气泄漏扩散进行研究和分析[1-12]0国内外针对现有天然气管道输送形式的研究主要集中在单层管道领域，而针对带有层间间隙的双层结构管道的泄漏过程研究较少，并且缺少应用实例。

在本文中，双层管道的夹层内泄漏天然气扩散过程物理模型和数学模型，考虑狭姓间冲击壁的影响，利用FLUENT63对双层管道的夹层内泄漏天然气扩散过程进行数值模拟，分析泄漏介质温度、泄漏孔直径及管道夹层中压差对外管内壁面上温度场的影响。

1 双层管道的夹层内泄漏天然气扩散模型1.1 物理模型二维双层管道的夹层内泄漏天然气扩散物理模型如图 1所示，1和2为内管壁面；3为外管内壁面；a和 b分别为内管人 口和出口；C和 d为夹层出 口；收稿日期：2013-02-27基金项目：国家自然科学基金 (51274071)。

作者简介：吴国忠(1961-)，男，黑龙江牡丹江人，博士，教授。

2013年4月 吴国忠，等.双层管道夹层 内泄漏天然气的扩散特性分析流膨胀过程前后的焓不变，在泄漏孔出口出现天然气温度下降，在方案 1中温降最大值接近8 K。随着夹层厚度的增加，泄漏介质温度 对外管内壁面上温度场分布影响逐渐减校300295290285赠2802752700 1 2 3 4 5位置，m图2 方案1中外管内壁面上温度场Fig.2 Temperature field of scheme 1 in outer wall surface3O0295290285280275U l Z 3 4位置/m图3 方案4中外管内壁面上温度场Fig-3 Temperature field of scheme 4 in outer wall surface2-2 泄漏孔直径 对外管内壁面上温度场的影响由图4、5可以看出，泄漏孑L直径 对 f处温度场分布存在较大的影响。随着泄漏孔直径 的增大，出现温降的范围变大，温降值变大，温降最大值接近13 K。随着夹层厚度的增加，内壁面温度场波动减小，f处温降值变大，最大达到 16 K。

U l 2 3 4 5位 置/m图4 方案2中外管内壁面上温度场Fig.4 Temperature field of scheme 2 in outer wall surface2.3 压差p对外管内壁面上温度场的影响由图 6、7可以看出，在方案 3中压差P对外管内壁面上温度场分布在泄漏初期存在-定影响。在f处，由于焦耳 .汤姆逊效应，气体出现温降现象越明显，最大温降值接近 8 K。方案6与方案 3不同的是，随着夹层厚度的增加，天然气泄漏射流距离增加，冲击壁面损失的动能比较小，流速大，压差p越大，对流换热越强，外管内壁面上温度值波动越大。

位置，m图5 方案5中外管内壁面上温度场Fig.5 Temperature field of scheme 5 in outer wall surface0 1 2 3 4 5位置，1n图6 方案3中外管内壁面上温度场Fig.6 Temperature field of scheme 3 in outer wal surface302301300299298297296赠 2952942932922912900 1 2 3 4 5位置，m图7 方案6中外管内壁面上温度场Fig.7 Temperature field of scheme 6 in outer wal surface3 结论本文对考虑泄漏介质温度、泄漏孑L直径及泄漏孔压力与夹层空间压力差值对外管内壁面上温度场的影响，对天然气在双层管道夹层中的泄漏过程进行了数值研究，得到如下结论：(I)泄漏介质温度 影响 f处温降最大值接近8 K。随着夹层厚度的增加，泄漏介质温度 对外管猱掰粥赠裟 粼越赠姗 嬲狮 拼 瑚 拼；§赠58 化 工 设 备 与 管 道 第 50卷第 2期内壁面上温度场分布影响逐渐减校(2)随着泄漏孑L直径 的增大，壁面上出现温降的范围变大，温降值变大，f处温降最大值接近13 K。随着夹层厚度的增加，内壁面温度场波动减小，f处温降值变大，最大达到 16 K。