蒋波沱 邢晓龙 贾彦强 张 旭

（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁沈阳110136）

0 引言

天然气作为一种清洁优质的能源，在我国大力发展低碳经济的过程中获得了前所未有的发展。由于我国的天然气资源产地远离天然气需求中心，而且从总体上来说，我国并不具备足够丰富的天然气资源，而是通过运输将国内外的天然气资源运送至天然气消费城市，因此天然气的运输十分重要。又由于运输管道距离长，运输天然气量大，因此管道泄漏事故频发，为预防此类事故发生进而造成重大损失，人们对天然气管道泄漏扩散过程研究就显得尤为重要。本文综述了人们对天然气泄漏扩散的模型研究，阐述了目前天然气泄漏模型、扩散模型的适用范围及进展，为今后的研究提供了参考资料。

1 泄漏模型

目前，常用的气体泄漏模型主要有Levenspie[1]、Crowl[2]孔隙模型及管道模型。 其中孔隙模型又分为小孔模型和大孔模型，其适用范围分别为泄漏孔与管道直径比d/D≤0.2 和直径比为0.2

2 扩散模型

表1 天然气扩散经典模型的比较

与气体泄漏模型相比， 气体的扩散模型有许多经典的计算模型，如高斯模型、BM 模型、Sutton 模型、FEM3 模型等，但其均各自限制，表1 罗列了几种气体扩散的经典模型[7]。

随着人们对气体扩散过程的深入了解，人们又提出许多新的气体扩散计算模型。 如美国空军开发的AFTOX 模型[8]，即危险气体扩散模型，此模型是一种多烟团叠加模型，适用于模拟点源以及区域气体扩散过程，不适用于模拟重气扩散；HEGADAS 模型[9]，适用于重气连续源泄露，尤其适用于液化天然气管道的泄漏扩散；还有适用于中气和重气扩散模拟及点源及区域气体扩散过程的DEGADIS 模型[10]；由美国环保局开发的只适用于中性气体扩散的INPUFF 模型等[11]。

近几年，人们在从事易燃易爆、有毒气体扩散领域也取得了一些成果。 如潘旭海等[12]在箱模型基础上建立了LTA-HGDM 模型，该模型具有形式简单、模拟精度较好、运算快捷等优点。 肖建明等[13]提出了一种计算高斯模型扩散面积的算法，该算法解决了易燃易爆和有毒气体在中毒或爆炸下限危害浓度范围内的面积计算问题，可以大大缩短灾害后果评估时间、提高灾害后果评估精度，对预防、减少人员伤亡和财产损失产生了积极影响。 王树乾等[14]利用Fluent 的物质传输模型和湍流模型模拟了不同压力对天然气泄漏扩散的影响，为天然气泄漏扩散事故预防处理提供了理论参考。 李又绿等[15]建立适合天然气管道泄漏特点的扩散模型，主要考虑泄漏扩散过程中的射流作用、膨胀效应、重力作用、水平风速等，其所建立的模型更加符合天然气管道泄漏扩散过程的实际情况，并通过算例讨论阐述不同外界条件对天然气泄漏扩散的影响，对天然气泄漏扩散的模型研究具有指导意义。

3 泄漏扩散结合的模型

近年来的发展趋势表明，越来越多的扩散模型中包括了初始泄漏速率的计算模拟，所以也有一些学者开始尝试将泄漏模型和扩散模型有效地整合在一起。 向启贵[16]通过对天然气管道破裂后介质的释放特点及其规律进行分析，筛选了扩散参数及模式，得到天然气管道泄漏扩散模型，采用该模型计算硫化氢扩散距离，可以为安全有效地实施安全生产及制定安全应急预案提供科学依据。 刘墨山[17]利用UDM 模型对不同的释放源在极端条件下的天然气管道事故进行了模拟计算，为安全预评价和现状评价提供了手段和方法。徐博等[18]使用Matlab 计算管道泄漏引起蒸气云爆炸事故的风险曲线，计算结果为天然气新管线的规划、建设及现有管线的调整提供了决策依据。 孟志鹏等[19]提出一种基于湍流模型的可用于可爆性气体泄漏扩散的三维数值模拟方法，虽然只适用于中性气体的扩散，但也为评估泄漏事故的危害提供了一定的依据。 桑博[20]利用计算流体动力学软件，选用Realizable kepsilon 模型对天然气在空气中扩散的过程进行仿真模拟，并分析泄漏孔直径、风速、泄漏初速度、泄漏孔形状对泄漏过程影响的强弱程度，对天然气泄漏扩散的研究进展有重要意义。 侯庆民[21]对天然气管道发生泄漏后的扩散情况进行了方法研究和规律分析，其模拟研究结果和泄漏扩散理论相符，为天然气泄漏扩散提供了一种分析思路。

4 总结

本文分析和总结了天然气泄漏扩散模型的最新研究进展。从中我们可以看出，目前并没有模型能够天然气泄漏、扩散和爆炸三个过程进行综合描述，特别是对于扩散过程和爆炸过程，没有模型将二者统一联系起来。 因此，这方面的研究仍需人们进一步深入探索。

［1］Levenspiel O. Engineering flow and heat exchange [M]. New York： Plenum press， 1984.

［2］Crowl D A. Chemical process safety： fundamentals with applications [M]. NJ：Prentice Hall， 1990.

［3］王新.天燃气管道泄漏扩散事故危害评价[D].哈尔滨工业大学，2010.

［4］冯云飞，吴明，闫明龙，等.燃气管道泄漏模型的研究进展[J].当代化工，2011，40(12)：1255-1260.

［5］王大庆，霍春勇，高惠临.长输管线气体泄漏率简化计算方法[J].天然气工业，2008，28(1)：116-118.

［6］向素平，冯良，周义超.天然气管道泄漏模型[J].天然气工业，2007，27(7)：100-102.

［7］桑博.长输天然气管道泄漏扩散的数值模拟[D].北京交通大学，2011.

［8］Bruce A K. AFTOX 4.0-The air force toxic chemical dispersion model-a user’s guide， PL -TR -91 -2119 Environmental Research Papers， No.1083 [R].Massachusetts： Phillips Laboratory， Hanscom Air Force Base， 1991.

［9］Witlox H W M. The HEGADAS model for ground-level heavy-gas dispersion I& II [J]. Atmosphere Environment， 1994， 28(18)： 2917-2946.

［10］Tom S， Jerry H. User’s guide for the DEGADIS 2.1 dense gas dispersion，EPA-450/4-89-019 [R]. Research Triangle Park， North Carolina， USA： Office of Air Quality Planing and Standards， U S EPA， 1989.

［11］William B P， Lavdas L G. INPUFF 2.0-a multiple source Gaussian Puff dispersion algorithm [R]. Research Triangle Park， North Carolina， USA： Atmospheric Sciences Research Laboratory， U S EPA， 1986.

［12］蒋军成，潘旭海.化学危险性气体泄漏扩散模拟及其危险因素[J].南京化工大学学报，2001，23(1)：19-22.

［13］肖建明，陈国华，张瑞华.高斯烟羽模型扩散面积的算法研究[J].计算机与应用化学，2006，23(6)：559-564.

［14］王树乾，钟月华，肖泽仪，等.压力对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟[J].四川化工，2009，12(6)：34-37.

［15］李又绿，姚安林，李永杰.天然气管道泄漏扩散模型研究[J].天然气工业，2004，24(8)：102-104.

［16］向启贵.天然气管道泄漏扩散机理研究[D].西南交通大学，2006.

［17］刘墨山.川渝地区含硫天然气管道泄漏事故后果模拟研究[D].中国地质大学(北京)，2010.

［18］徐博，钱新明，刘振翼.天然气输送管道泄漏事故危害定量分析[J].中国科学安全学报，2008，18(1)：146-149.

［19］孟志鹏，王淑兰，丁信伟.可爆性气体泄漏扩散时均湍流场的数值模拟[J].安全与环境学报，2003，3(3)：25-28.

［20］桑博.长输天然气管道泄漏扩散的数值模拟[D].北京交通大学，2011.

［21］侯庆民.天然气管道泄漏与天然气在空气中扩散的模拟研究[D].哈尔滨工业大学，2009.