水下天然气管道泄漏扩散数值模拟.pdf

第 4 4卷 第 1 2 期 2 0 1 5 年 1 2 月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V 0 ] ． 4 4．N O ． 1 2 D e c e mb e r ，2 0 1 5 水下天然气管道泄漏扩散数值模拟 李 勇，王卫强，王国富，陈 松，于小哲 辽宁石油化工大学 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘 要 目前 ，对于水下天然气管道泄漏的研究相对较少 ，泄漏气体的扩散规律尚不明确 ，这给事故发 生后的应急处理带来了很大的困难。建立水下管道泄漏二维模型，采用 V OF多相流模型，通过模拟软件对不 同水流速度下的天然气泄漏扩散过程进行数值模拟。结果显示泄漏初期 ，气团聚集成球状，由于中部气团上 升速度较快 ，气团变为月牙状 ，随后分裂为许多小气团四处飞散，随着水流速度的增加，泄漏气体浓度降低的 更快，气团向右侧偏移距离增大。该研究对事故发生以后的危险区域划定有意义。 关键词V O F模型；天然气；泄漏扩散；水下管道 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 51 2 2 8 6 1 0 3 Nu me r i c a l S t u d y o n Na t u r a l Ga s Le a k a g e o f Un d e r wa t e r P i p e l i n e L I Y o n g ，W A N G W e i q i a n g ，W A NG Gu o - f u ，C HE NS o n g ,Y UXiz o - z h e Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t At p r e s e n t ， i t ’s r e l a t i v e l y l e s s t o s t u d y u n d e r wa t e r g a s p i p e l i n e l e a k a g e ， s o t h e d i ff u s i o n r e g u l a r i t y i s n o t c l e a r ,wh i c h ma k e s e me r g e n c y t r e a t me n t d i ffic u l t a fte r t h e a c c i d e n t ，t h e r e f o r e r e s e a r c h o n t h i s a r e a a p p e a r s v e r y i mp o r t a n t ．I n t h i s p a p e r ，t wo - d i me n s i o n a l u n d e r we r p i p e l i n e l e a k a g e mo d e l wa s e s t a b l i s h e d ，u s i n g t h e VOF mu l t i p h a s e fl o w mo d e l ， g a s l e aka g e a n d d i f f u s i o n p r o c e s s u n d e r d i ff e r e n t flo w r a t e we r e s i mu l a t e d b y s i mu l a t i o n s o f t wa r e．The r e s ul t s s ho w t h a t i ni t i a l l y t he ga s i nt e g r a t e s i nt o s ph e r i c a l s h a pe ，a nd t h e n t he s p he r i c a l s ha pe be c o m e s t h e c r e s c e n t b e c a u s e t h e mi d d l e o f g a s ma s s r i s e s f a s t e r t h a n b o t h s i d e s ， fi n a l l y t h e a i r ma s s s p l i t s i n t o ma n y s ma l l g a s ma s s e s ． Wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e fl o w r a t e ， l e a k a g e g a s c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e s f a s t e r , t h e ma s s fly i n g d i s t a n c e t o t h e fi g h t i n c r e a s e s ． Ke y wo r d s VOF mo d e l ； Na t u r a l g a s ； Le aka g e a n d d i ffu s i o n ； Un d e rw a t e r p i p e l i n e 随着经济的发展，天然气的需求量不断增长， 我国加大对海洋油气资源的开采，大量的水下管道 被敷设 。然而 ，海底管道容易受到电化学腐蚀 、第 三方破坏、疲劳失效等因素的影响发生泄漏⋯ 。 目前，对于管线泄漏的研究主要集中于陆地管 道[2 4 ] 。 这类数值模拟通常选用组分输运模型， 主要 考察风速对泄漏气体扩散的影响。对于水下 的管线 泄漏 问题研究相对较少。 文闯 J 等利用 VO F多相流 模型对海底天然气管道泄漏过程进行模拟，并通过 实验验证 所建立模 型的准确性 。景海泳【 6 】 等通过 V O F模型和 D P M模型耦合的方式模拟了泄漏气体 气泡的扩散分布规律。以上研究都是平静的水下环 境 中的泄漏扩散过程 ，并未考虑水流速度的影响。 本文选用 VO F多相流模型，对不同水流速度影响 下的天然气泄漏过程进行模拟 ，计算过程考虑热交 换 、重力和浮力等影响因素 。 1 数学模型 水下气体泄漏扩散过程实质为研究水中的气泡 运动规律。 VO F模型是一种在 固定的欧拉网格下的 表面跟踪方法L 7 J 。采用这种模 型可以得到两种或多 种互不相融流体间的交界面。这一模型所研究 的经 典问题包括液体 中的大泡运动 ，因此选用该模型进 行模拟。考虑到热量的交换因素需要开能量方程， 考虑重力与浮力的影响， 设定重力加速度大小为 9 ．8 m／ s 。 本文所需的控制方程包括质量守恒方程 、动量 守恒方程 、能量守恒方程和湍流方程 。 质量守恒方程 a p ／ f d i v f p 1 0 式中 P为密度 ；t 为时间，s ； 为速度矢量 动量守恒方程 a P u x ／ 0 t d iv p u 曩 、 一 却| 融 a | a c 8 | p f x 8 l O t d iv p u 1 一 a p | 乱 | a c 8 | p j 式中 为流体微元上 的压强 ，P a ； 、r y x 、 等是 因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘 性应力 的分量，P a ； 、 为2 个方向的单位质 量力 ，m／ s ，由于质量力只受重力，因Y轴竖直向 收稿 日期2 0 1 5 - 0 7 - 2 4 作者简介 李 勇 1 9 9 0 一 ，男，辽宁铁岭人 ，在读硕士研究生，从事油气储运技术工作。E - m a i l 3 8 2 3 1 M9 6 q q ．corn。