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摘要：筑群外埋地燃气管道存在着一定的泄漏风险，可以使用Gambit2.4建立三维模型，使用CFD软件Fluent14.0对不同温度和湿度下的燃气连续泄漏扩散情况进行了模拟，并对比了不同温度和湿度下的燃气扩散的影响、浓度和规律。结果显示，泄漏出的燃气会在土壤中快速扩散，使地表上方的浓度值达到了爆炸下限和上限。透出地表的燃气在建筑物之间由迎风侧和背风侧形成两个不同浓度的扩散区。而且建筑物表面的预警浓度的高度也会受温度和湿度的影响。根据这些结果可以评估建筑群外卖地燃气管道泄漏的风险，以此为依据对群众进行疏散。
关键词：筑群；燃气管道；泄漏；风险评估
燃气是居民重要的生产和生活能源。管道是燃气的运输工具，一般深埋于人口密集的建筑群下。受多种外界因素的影响，燃气管道会发生泄漏事故，不仅会造成一定的经济损失，甚至会危机群众的生命。因此，要严密检测燃气泄漏的浓度，掌握其扩散的规律及相应的风险规避措施。国外有关燃气泄漏扩散的研究以数值模拟为主，例如Steven R建立了CFD模型，进行了仿真模拟。研究表明，燃气会在泄漏口形成气体云，而且会在风速的影响下发生水平方向上的扩散，而且受地形和建筑物的影响，燃气的浓度会升高。张甫仁对地表外部天然气的连续泄漏扩散进行了模拟，随不同温度和湿度作用下的浓度分布进行了探究，结果表明湿度的增加会抑制浓度的扩散。
当前的多数研究集中于泄漏口在大气中的情况，但忽视了温度、湿度和土壤对扩散的影响，对发生泄漏时的实际情况没有做出真正地表现。本文对埋地管道泄漏的各种影响因素进行了考虑，建立了物理模型，使燃气管道泄漏的影响因素更加贴近实际，期望能够为燃气管道的泄漏事故的排查、突发事件的应急等提供理论依据。
一、物理模型的建立
1.物理模型的假设
燃气管道的泄漏较为复杂，本研究对其进行了简化，进行了一些假设：燃气管道泄漏为单孔泄漏，为小孔模型；连续泄漏，保持速率不变；燃气在空气中和其他气体成分不会发生化学反应；空气中的水蒸气与燃气的动量交换忽略不计。
2.物理模型的建立
本研究建立了包含建筑群的埋地燃气管道的空间模型，实际空间尺寸为30X30X30m的立方体区域，内部有8栋楼房，其中六栋的此存都为6x3x16.8m，中间两栋为8x4x14m。泄漏口在边侧建筑和中间，与建筑物外延的水平距离为3m，泄漏口距地面1.3m。
3.有关参数设置
管道中的燃气主要由甲烷、丙烷和丁烷等组成，本研究以甲烷作为燃气的主要成分进行研究，设其体积分数为98.6%，管道为A类输气管道，运输压力为0.25MPa，温度为20℃。甲烷的爆炸限为5%～15%，预警的下限为1%，本研究设定三个临界值进行风险评估。
4.边界条件设置
经计算，管道孔直径为50.8mm，泄漏速率为368.65m/s。设左避面是风速入口，《蒲福氏风级表》显示距地面高度为10m的风度为3m/s，随高度的升高，风速也会发生变化，大气压力也会发生变化。土壤层四周为压力出口，其密度为1530kg/m3，导热系数为1.51w/（m，k），土壤平均颗粒的直径为0.5mm。建筑群和土壤层下表面都应考虑在内，在非一般泄漏中，时间步长为1s，为了提高研究的准确性，将各参数的精度精确到0.001.
二、计算和结果
1.燃气在土壤层中的扩散
地下燃气管道发生泄漏后，在土壤的阻碍下，气体的动能会受到较大的损失，不能够冲破泄漏口上方的土壤。因此，燃气会在土壤层中扩散，在逐渐上升到地面后才会向空气扩散，土壤层中燃气爆炸下限为5%，上限为15%，通过对比泄漏时间来对比燃气在土壤层的扩散情况，以泄漏10s、20s、30s和60s为例，我们能够发现，随着泄漏时间得到持续增加，燃气的在土壤层中的扩散范围会逐渐扩大，其可能危险区域也在逐渐增加。当泄漏时间为10s时，泄漏口上方地表的燃气浓度已经达到了5%，但还距15%还有一定的差距。与此同时，燃气会在建筑物下方发生环绕，浓度逐渐升高。当泄漏时间为20s时，地表燃气浓度达到了15%，有的甚至超过了15%，但此时建筑物下方土壤层中的燃气浓度逐渐降低，达到爆炸下限的区域也逐渐缩小。从30s到60s，泄漏口处附近的危险区域逐渐增大，地表燃气浓度也随时间的延续而提高。
2.燃气在大气中的扩散
透过地面后的燃气受风力的影响会进入大气中开始扩散，其浓度会比土壤层中的燃气浓度大为降低，其密度小于空气的密度，而且会受温度和湿度的影响，扩散后的浓度也会不同。因此，可选取1%作为风险评估的临界值，选取夏季潮湿环境和秋季干燥环境两种情况，在发生泄漏的120s后开展检测，研究建筑群表面燃气浓度的大小。
在夏季潮濕环境中，距离泄漏口较近的建筑物的燃气浓度会随着泄漏时间的持续，燃气浓度会随着高度的升高发生明显的变化。对其他建筑物而言，也有一定的变化，但距泄漏口较远，预警浓度的高度为0.9m，而且在50s后会被吹散。对于泄漏口处建筑物的背风侧，浮生力是提高预警浓度的主要动力。在泄漏60s内燃气会向高空扩散，在到达12.6m后变化逐渐稳定。距泄漏口较远的建筑受风力的持续影响，尚未达到预警浓度值。在迎风侧的建筑表面的预警浓度也会在20s内迅速上升，在风力和浮力的联合作用下，预警浓度的高度为3.5m。
在秋季干燥的环境中，随着时间的推进，燃气的预警浓度也会发生一定的变化，但距泄漏口距离的不同，数值也会发生一定的变化。对背风侧的建筑来说，在40s内受浮力作用的影响，燃气浓度逐渐升高，在6.8m后逐渐稳定，但有建筑会在风力的持续作用下，不会达到预警值。迎风侧的建筑在180s内的预警浓度会保持在3s左右。有的建筑虽然在迎风侧，但距泄漏口较远，随着泄漏时间的推进，其表面的预警浓度会在5m后小时。 对比两个季节环境的不同，我们发现，湿度降低30%后，距泄漏口较近的建筑预警浓度的高度下降了6m左右。处在背风侧的建筑燃气浓度已达不到预警值。迎风侧的建筑在达到预警浓度所的稳定高度需要很短的时间。研究发现，湿度的增加，燃气的粘度也会增加，而且其粘度不容易被稀释。另外，湿度也会降低扩散速率，容易发生累计，进而危险性也随之提高。随着湿度的降低，燃气的粘度也降低，受风速的影响，集聚在建筑物表面的燃气被风吹散，燃气迅速扩散，危险性较小。当温度升高后，燃气分子运动加剧，气体扩散速度加快，同时也提高了热浮生力的作用。
结语
本文使用了CFD软件分析了温度、湿度对燃气在土壤和大气中泄漏情况进行了模拟，研究结果如下：
第一，外埋地燃气管道发生泄漏后燃气首先在土壤层中扩散，并在附近的建筑物的地基处绕流形成高浓度区域，会在短时间内达到爆炸下限。随着泄漏时间的推进，燃气逐渐停止绕流，浓度下降，在泄漏口上方至地表的浓度呈阶梯状，会在地表上方的中心区域形成爆炸上限。
第二，燃氣进入地表后，在浮力的作用下会向高空扩散，风速会稀释燃气。随着时间的推移，泄漏口上方地表出的燃气会被吹散，向四周的建筑群扩散，当遇到两侧的建筑物时，迎风侧和背风侧的浓度也会不同，迎风侧的浓度低，背风侧的浓度高。
第三，燃气在空气中的影响因素主要包括温度和湿度。湿度的升高会使燃气的浓度提高，不利于其扩散，容易发生集聚。温度的降低会使粘度也降低，风速对扩散得到影响明显，集聚在建筑表面的燃气会被风吹散。随着温度的升高，燃气的分子运动加剧，热浮生力也随之提高。
以上结论期望能够对建筑群外埋地燃气管道泄漏的风险性评估提供一定的参考，有效做好风险应对工作，保障人民群众的生命和财产安全。
参考文献：
[1]秦朝葵，李军，严铭卿，玉建军.腐蚀作用下城市埋地燃气管道的失效概率分析[J].天然气工业，2015，35（05）：85-89.
[2]王鹤超，吴明，杨蕊，程猛猛，张尚洲.建筑群外埋地燃气管道泄漏的风险性评估[J].石油与天然气化工，2015，44（01）：93-98.
[3]曾静，许俊城，陈国华，袁金彪.城市埋地燃气管道风险评估方法的适用性[J].煤气与热力，2007（05）：55-61.
关键词：筑群；燃气管道；泄漏；风险评估
燃气是居民重要的生产和生活能源。管道是燃气的运输工具，一般深埋于人口密集的建筑群下。受多种外界因素的影响，燃气管道会发生泄漏事故，不仅会造成一定的经济损失，甚至会危机群众的生命。因此，要严密检测燃气泄漏的浓度，掌握其扩散的规律及相应的风险规避措施。国外有关燃气泄漏扩散的研究以数值模拟为主，例如Steven R建立了CFD模型，进行了仿真模拟。研究表明，燃气会在泄漏口形成气体云，而且会在风速的影响下发生水平方向上的扩散，而且受地形和建筑物的影响，燃气的浓度会升高。张甫仁对地表外部天然气的连续泄漏扩散进行了模拟，随不同温度和湿度作用下的浓度分布进行了探究，结果表明湿度的增加会抑制浓度的扩散。
当前的多数研究集中于泄漏口在大气中的情况，但忽视了温度、湿度和土壤对扩散的影响，对发生泄漏时的实际情况没有做出真正地表现。本文对埋地管道泄漏的各种影响因素进行了考虑，建立了物理模型，使燃气管道泄漏的影响因素更加贴近实际，期望能够为燃气管道的泄漏事故的排查、突发事件的应急等提供理论依据。
一、物理模型的建立
1.物理模型的假设
燃气管道的泄漏较为复杂，本研究对其进行了简化，进行了一些假设：燃气管道泄漏为单孔泄漏，为小孔模型；连续泄漏，保持速率不变；燃气在空气中和其他气体成分不会发生化学反应；空气中的水蒸气与燃气的动量交换忽略不计。
2.物理模型的建立
本研究建立了包含建筑群的埋地燃气管道的空间模型，实际空间尺寸为30X30X30m的立方体区域，内部有8栋楼房，其中六栋的此存都为6x3x16.8m，中间两栋为8x4x14m。泄漏口在边侧建筑和中间，与建筑物外延的水平距离为3m，泄漏口距地面1.3m。
3.有关参数设置
管道中的燃气主要由甲烷、丙烷和丁烷等组成，本研究以甲烷作为燃气的主要成分进行研究，设其体积分数为98.6%，管道为A类输气管道，运输压力为0.25MPa，温度为20℃。甲烷的爆炸限为5%～15%，预警的下限为1%，本研究设定三个临界值进行风险评估。
4.边界条件设置
经计算，管道孔直径为50.8mm，泄漏速率为368.65m/s。设左避面是风速入口，《蒲福氏风级表》显示距地面高度为10m的风度为3m/s，随高度的升高，风速也会发生变化，大气压力也会发生变化。土壤层四周为压力出口，其密度为1530kg/m3，导热系数为1.51w/（m，k），土壤平均颗粒的直径为0.5mm。建筑群和土壤层下表面都应考虑在内，在非一般泄漏中，时间步长为1s，为了提高研究的准确性，将各参数的精度精确到0.001.
二、计算和结果
1.燃气在土壤层中的扩散
地下燃气管道发生泄漏后，在土壤的阻碍下，气体的动能会受到较大的损失，不能够冲破泄漏口上方的土壤。因此，燃气会在土壤层中扩散，在逐渐上升到地面后才会向空气扩散，土壤层中燃气爆炸下限为5%，上限为15%，通过对比泄漏时间来对比燃气在土壤层的扩散情况，以泄漏10s、20s、30s和60s为例，我们能够发现，随着泄漏时间得到持续增加，燃气的在土壤层中的扩散范围会逐渐扩大，其可能危险区域也在逐渐增加。当泄漏时间为10s时，泄漏口上方地表的燃气浓度已经达到了5%，但还距15%还有一定的差距。与此同时，燃气会在建筑物下方发生环绕，浓度逐渐升高。当泄漏时间为20s时，地表燃气浓度达到了15%，有的甚至超过了15%，但此时建筑物下方土壤层中的燃气浓度逐渐降低，达到爆炸下限的区域也逐渐缩小。从30s到60s，泄漏口处附近的危险区域逐渐增大，地表燃气浓度也随时间的延续而提高。
2.燃气在大气中的扩散
透过地面后的燃气受风力的影响会进入大气中开始扩散，其浓度会比土壤层中的燃气浓度大为降低，其密度小于空气的密度，而且会受温度和湿度的影响，扩散后的浓度也会不同。因此，可选取1%作为风险评估的临界值，选取夏季潮湿环境和秋季干燥环境两种情况，在发生泄漏的120s后开展检测，研究建筑群表面燃气浓度的大小。
在夏季潮濕环境中，距离泄漏口较近的建筑物的燃气浓度会随着泄漏时间的持续，燃气浓度会随着高度的升高发生明显的变化。对其他建筑物而言，也有一定的变化，但距泄漏口较远，预警浓度的高度为0.9m，而且在50s后会被吹散。对于泄漏口处建筑物的背风侧，浮生力是提高预警浓度的主要动力。在泄漏60s内燃气会向高空扩散，在到达12.6m后变化逐渐稳定。距泄漏口较远的建筑受风力的持续影响，尚未达到预警浓度值。在迎风侧的建筑表面的预警浓度也会在20s内迅速上升，在风力和浮力的联合作用下，预警浓度的高度为3.5m。
在秋季干燥的环境中，随着时间的推进，燃气的预警浓度也会发生一定的变化，但距泄漏口距离的不同，数值也会发生一定的变化。对背风侧的建筑来说，在40s内受浮力作用的影响，燃气浓度逐渐升高，在6.8m后逐渐稳定，但有建筑会在风力的持续作用下，不会达到预警值。迎风侧的建筑在180s内的预警浓度会保持在3s左右。有的建筑虽然在迎风侧，但距泄漏口较远，随着泄漏时间的推进，其表面的预警浓度会在5m后小时。 对比两个季节环境的不同，我们发现，湿度降低30%后，距泄漏口较近的建筑预警浓度的高度下降了6m左右。处在背风侧的建筑燃气浓度已达不到预警值。迎风侧的建筑在达到预警浓度所的稳定高度需要很短的时间。研究发现，湿度的增加，燃气的粘度也会增加，而且其粘度不容易被稀释。另外，湿度也会降低扩散速率，容易发生累计，进而危险性也随之提高。随着湿度的降低，燃气的粘度也降低，受风速的影响，集聚在建筑物表面的燃气被风吹散，燃气迅速扩散，危险性较小。当温度升高后，燃气分子运动加剧，气体扩散速度加快，同时也提高了热浮生力的作用。
结语
本文使用了CFD软件分析了温度、湿度对燃气在土壤和大气中泄漏情况进行了模拟，研究结果如下：
第一，外埋地燃气管道发生泄漏后燃气首先在土壤层中扩散，并在附近的建筑物的地基处绕流形成高浓度区域，会在短时间内达到爆炸下限。随着泄漏时间的推进，燃气逐渐停止绕流，浓度下降，在泄漏口上方至地表的浓度呈阶梯状，会在地表上方的中心区域形成爆炸上限。
第二，燃氣进入地表后，在浮力的作用下会向高空扩散，风速会稀释燃气。随着时间的推移，泄漏口上方地表出的燃气会被吹散，向四周的建筑群扩散，当遇到两侧的建筑物时，迎风侧和背风侧的浓度也会不同，迎风侧的浓度低，背风侧的浓度高。
第三，燃气在空气中的影响因素主要包括温度和湿度。湿度的升高会使燃气的浓度提高，不利于其扩散，容易发生集聚。温度的降低会使粘度也降低，风速对扩散得到影响明显，集聚在建筑表面的燃气会被风吹散。随着温度的升高，燃气的分子运动加剧，热浮生力也随之提高。
以上结论期望能够对建筑群外埋地燃气管道泄漏的风险性评估提供一定的参考，有效做好风险应对工作，保障人民群众的生命和财产安全。
参考文献：
[1]秦朝葵，李军，严铭卿，玉建军.腐蚀作用下城市埋地燃气管道的失效概率分析[J].天然气工业，2015，35（05）：85-89.
[2]王鹤超，吴明，杨蕊，程猛猛，张尚洲.建筑群外埋地燃气管道泄漏的风险性评估[J].石油与天然气化工，2015，44（01）：93-98.
[3]曾静，许俊城，陈国华，袁金彪.城市埋地燃气管道风险评估方法的适用性[J].煤气与热力，2007（05）：55-61.