海底隧道?；沸孤稊U(kuò)散模擬

(青島理工大學(xué) 山東 青島 266033)

本文選定青島地區(qū)海底隧道某段進(jìn)行數(shù)值模擬，選用液化天然氣作為模擬對象。由于液化天然氣主要成分是甲烷，還有微量乙烷和丙烷。但液化天然氣中甲烷濃度高于95%，因此本文利用甲烷代替液化天然氣進(jìn)行泄漏模擬。

一、液化天然氣擴(kuò)散數(shù)值模擬

(一)液化天然氣擴(kuò)散基本方程

液化天然氣泄露擴(kuò)散基本方程包括：連續(xù)性方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程，組份輸運(yùn)模型和狀態(tài)方程，將方程統(tǒng)一表示為以下方程：

(二)計(jì)算模型及邊界初始條件

因?yàn)楹５姿淼篮推胀ü匪淼蓝即┻^巖層，在進(jìn)行模擬時(shí)，邊界條件的設(shè)定是相同的，所以按照一般公路隧道進(jìn)行分析。模型的計(jì)算區(qū)域選擇長×寬×高為200m×14m×8m的三維立體半圓柱模型，左邊50m處放置一個(gè)長×寬×高為4m×2m×2m的長方體泄漏車輛模型。模型布置圖如圖1所示。

(a)隧道物理模型側(cè)視簡圖

(b)隧道物理模型俯視簡圖

(c)隧道物理模型左視簡圖

初始計(jì)算條件設(shè)置：外界氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，泄露速率為50m/s，泄露口位置位于車體頂部，且液化天然氣以氣態(tài)形式泄露。

二、模擬結(jié)果分析

(一)風(fēng)速對液化天然氣擴(kuò)散的影響

本文主要設(shè)置了3m/s、5m/s、8m/s三個(gè)風(fēng)速變量且風(fēng)速與進(jìn)口垂直，表1為模擬后的結(jié)果。

由表1可以知道泄漏氣體泄漏最大高度和最長距離。

表1 不同風(fēng)速下泄漏氣體的泄漏距離

由表1可以看出不同時(shí)間、不通風(fēng)速下，泄漏氣體擴(kuò)散的距離遠(yuǎn)近。當(dāng)泄漏時(shí)間一定的時(shí)候，隨著風(fēng)速增加，水平擴(kuò)散的距離都在增加，但是8m/s的風(fēng)速加快了泄漏氣體的擴(kuò)散，在達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)候距離反而比其他兩個(gè)風(fēng)速達(dá)到的距離縮短了2.1m左右。豎直方向上泄漏氣體的高度逐漸開始下降。隨著時(shí)間的增加，水平和豎直方向上的擴(kuò)散情況也是和上述一樣

所以風(fēng)速對液化天然氣的擴(kuò)散有著重要的影響，當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時(shí)，液化天然氣影響的范圍越來越廣，但泄漏氣體濃度范圍卻隨著風(fēng)速的增加而減小。風(fēng)速越高，云團(tuán)與周圍環(huán)境交換熱量的面積也越來越大，其交換速率也逐漸上升，密度逐漸降低，云團(tuán)被稀釋，故其爆炸影響范圍也越來越小。

(二)溫度對液化天然氣的影響

本節(jié)根據(jù)青島地區(qū)溫度變化規(guī)律，主要選取了10℃、25℃和35℃三個(gè)溫度，來探究不同環(huán)境溫度下的液化天然氣分布規(guī)律。

表2展示了不同環(huán)境溫度下氣體泄漏擴(kuò)散質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布水平方向和垂直方向最大距離

表2 不同溫度水平方向和垂直方向最大擴(kuò)散距離

由表可以發(fā)現(xiàn)，溫度較低時(shí)，泄漏氣體與周圍環(huán)境換熱減少，氣體動(dòng)能減少，擴(kuò)散能力低，氣體密度降低緩慢。隨著溫度的升高，泄漏氣體吸收周圍環(huán)境溫度使得氣體分子動(dòng)能增加，氣體分子速度變快，擴(kuò)散能力增加，氣體密度降低速率增加，泄漏氣體擴(kuò)散速率和泄漏擴(kuò)散范圍變大。

三、結(jié)論

1.風(fēng)速越大，液化天然氣泄漏的距離越遠(yuǎn)，濃度偏小，但是其爆炸濃度范圍卻在減?。伙L(fēng)速越小，天然氣泄漏距離越近，其濃度偏大，爆炸范圍也在增大。

2.溫度越高，液化天然氣泄漏氣體在垂直方向上的擴(kuò)散距離變大，氣體爆炸范圍越?。粶囟仍叫?，其在垂直方向上擴(kuò)散的越小，氣體爆炸濃度范圍越大。